01
工作原理
MEMS加速度传感器
△ 某MEMS元器件及其内部结构示意
MEMS加速度传感器是指采用微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）技术制造的加速度传感器。该技术将机械系统和电子电路使用硅半导体加工工艺集成在极小的尺寸内，机械系统将振动信号转化为电信号，电子电路完成电信号的采集和处理，两者形成一个协作系统，实现振动信号的智能检测，分析等一些列复杂功能。
其主要工作原理是在传感器内部制备一块微小的质量块，当外部施加力时，根据惯性原理，质量块会因加速运动产生微小的位移。MEMS加速度计通过检测这个位移，就可以准确地测量出加速度的大小和方向。
MEMS传感器的各器件可以方便的焊接在PCB板①上，易于封装及批量制造，部分MEMS传感器可集成信号采集、处理等多个功能，所需的外部器件极少，在高集成度和低成本方面，为工程应用提供了极大的便利。
压电式加速度传感器
△ 某压电式传感器及其内部结构示意
压电式加速度传感器是指利用压电效应②测量加速度变化的一种加速度计。其工作原理是传感器内部安装一压电晶体③，晶体一端固支④，另一端固定一质量块，当传感器受到外部力时，质量块会产生位移，从而导致压电晶体产生微小的形变，形变会导致内部电荷重新分布，产生电信号。通过检测电信号的幅值和极性，可以计算出加速度的大小和方向。
02
外形尺寸
MEMS的含义——微机电，特点是小型化、集成化、可批量制造。顾名思义，MEMS的元器件尺寸十分微小，特征结构在微米尺度（约为1μm~100μm范围，可类比一根头发的直径约为60~100μm），集成度极高，系统尺寸往往也在几毫米甚至更小。常见的医疗电子、汽车电子、穿戴式智能设备等往往应用MEMS元器件以提高整体设备的集成度。
△ 常见穿戴式设备：手环
压电式元器件受限于工作原理，特征结构尺寸往往是MEMS的10倍及以上。且压电式元器件需配合外部器件来实现诸多预设功能，封装后的整体结构相对MEMS会更加庞大。
尺寸上的差异使得MEMS传感器相对常见的传统压电式传感器灵敏度更高、功耗更低。尤其在无线便携式传感器领域，受限于电池供电，MEMS的结构特性为缩小产品尺寸、延长使用寿命方面做出了出色的贡献。
03
技术参数
振动监测是通过获取并分析设备振动数据来对设备进行预测性维护的一种监测手段。在采集设备振动数据时，为保证数据采集的完整性及真实性，用户往往关注振动传感器的以下技术参数：
（1）噪声范围
只要有电路的地方就存在噪声，传感器也不例外。一方面，传感上电后，内部器件和电路元件会产生热噪声、放大器噪声、散粒噪声等。另一方面，传感器的输出阻抗⑤会削弱其输出信号，此时如果噪声信号过大，传感器的输出信号就容易被其淹没。
在旋转类设备的监测过程中，针对一些精密故障，如轴承及齿轮缺陷等，往往要求传感器的噪声范围必须控制在100μg/√Hz以内才可以达到合格的数据采集要求。
有相关测试数据表明：MEMS加速度传感器的噪声范围在25μg/√Hz~100μg/√Hz，压电式加速度传感器的噪声范围则在1μg/√Hz~50μg/√Hz。从上述数据对比可以看出，压电式加速度传感器的内部噪声范围更低，这是其优势所在。
（2）频响范围及频响上限
频响范围是指传感器能够有效感知的振动频率范围，频响上限是指传感器能够有效感知的最高振动频率。许多工业设备的常见故障，如轴承润滑不良、磨损，齿轮磨损等，其特征频率较高，可达3000-8000Hz，需要传感器能有效感知高频故障特征频率才可以对其进行覆盖。在实践中通常要求高频加速度传感器的频响上限高于10kHz。
△ 某泵机轴承润滑不良故障时的加速度频谱图
目前市场上的压电式传感器频响范围较广，约为1Hz~30kHz，而常见的MEMS传感器则约为0Hz~20kHz，两者的频响均可覆盖旋转类设备监测需求。
（3）响应类型
在介绍频响范围时，压电式传感器为何不是从0Hz，而是从1Hz开始？这就需要关注传感器的响应类型：交流响应及直流响应。
压电传感器是最常见的交流响应加速度传感器，其输出是交流耦合⑥的。触发信号的直流分量被隔断，如果触发信号的频率小于10Hz，会造成触发困难。因此交流耦合器件不能用于测量重力加速度、恒定离心加速度等静态加速度⑦。它只适用于测量动态事件。而常见的MEMS传感器属于直流响应加速度传感器，输出是直流耦合⑧的，不隔断触发信号的直流分量，可对零赫兹的加速度信号做出响应，静态以及动态加速度都可以被测量。
对应到振动监测领域，我们不仅要关注设备高频振动部分的变化，在低转速运行的设备方面，低频振动监测同样重要。如磨煤机、提升机、皮带机及特大循环水泵等，其转速一般在10~600r/min，转频在10Hz以内，这对传感器的低频监测有着较高的要求。
△ 提升机
压电式传感器受限于交流（动态）响应原理，其1Hz以内甚至10Hz以内的振动数据都很难做到精准采集分析，对于低转速设备的监测就很难满足要求。而MEMS传感器的直流（静态）响应特点使得其可以应对各类低转速设备监测时，精准采集1Hz以内振动数据，满足低转速设备监测场景的需求。
04
环境要求指标
（1）漂移特性
传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移有零点漂移⑨、灵敏度漂移、时间漂移和温度漂移等。产生漂移的原因也有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。
以最常见且显著的漂移——温度漂移为例。传感器上电后，内部元件的温度会逐步升高并达到稳定，可以理解为一个供电预热的过程，在预热过程中采集并输出的加速度值，是随着温度的变化而变化的。简单来说，此时输出的加速度值是有误差性的，只能等待温度稳定后才能得到真实的加速度输出值，这是制约传感器进行实时监测的重要障碍。传感器的温漂现象无法完全避免，当温度变化发生时，能以更快的时间稳定下来，是解决温漂的直接手段。
上文中提到，MEMS系统体积小、质量轻，热容量⑩小，当外界温度变化时可更快达到热稳定，相较压电式传感器普遍测算结论为1~10秒的预热时间，MEMS加速度传感器的预热时间可达1秒以内，在测量过程中上电时间更短、能量消耗更少。
（2）抗干扰能力
传感器常见的外部干扰来自于电磁辐射。在电磁辐射下，传感器的输出信号会受到一定程度的干扰。湃方科技曾用对讲机作为模拟电磁干扰源，对两种常见的MEMS和压电式传感器进行测试，测试结果如下图所示。
*图为静态条件下，两种传感器对电磁辐射的抗干扰能力对比
*数据预处理时超过振动信号（包括启停机）阈值的干扰数据已优化
*数据预处理时把超过10KHz（非周期信号，推算频率）的干扰数据已优化
在对比试验中，我们将两个传感器保持静止状态，以排除不确定因素（如不同时刻振动加速度源的差异等）对实验产生的影响，分别将对讲机置于传感器不同方向的100mm距离处，让传感器在静态下对数据进行采集输出。
理想状态下，静态条件时，传感器输出加速度数值应为0，模拟电磁干扰时，两种传感器输出加速度值越小，证明其抗干扰能力越强。
上图数据可以看出，MEMS传感器在各方向受到电磁干扰时，均比压电式传感器输出加速度值更低，抗干扰能力远远优于压电式传感器，具备出色的稳定性。而压电式传感器受限于工作原理，在实际产品设计时往往会额外增加电磁屏蔽措施，以弥补相关问题。
05
总结
综上所述，MEMS传感器和传统压电式传感器是两种技术成熟、应用广泛的加速度计，其在技术指标等方面的单一对比难以说明二者孰强孰弱，传感器厂家在进行产品设计时，往往会综合考虑软硬件及应用场景的诸多需求，对其进行细分领域的谨慎选择。
压电式加速度传感器作为更早在监测市场上量产并进行实践应用的传统加速度计，技术指标高、工作可靠；MEMS技术的问世则是在上述优势背景下，为传感器的高集成性、高精密性及低功耗、微尺寸提供了方向，同时其直流响应的特点在目前工业设备状态监测领域的低速设备监测方面具有显著的优势性。
随着新一代信息技术的蓬勃发展，不论是压电式还是MEMS，相信二者都会随着市场需求及技术壁垒的突破，推动设备监测领域不断向前迈进。
释义：
① PCB：Printed Circuit Board的简称，中文名称为印制电路板，是重要的电子部件，是电子元器件间电气相互连接的载体，由绝缘底板、连接导线和装配焊接电子元件的焊盘组成，具有导电线路和绝缘底板的双重作用。由于它是采用电子印刷术制作的，故也被称为印刷电路板。
② 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
③ 压电晶体：能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶（α-石英）是一种有名的压电晶体。常见的压电晶体还有：闪锌矿、方硼石、电气石、红锌矿、GaAs、钛酸钡及其衍生结构晶体、KH2PO4、NaKC4H4O6·4H2O(罗息盐)、食糖等。
④ 固支：力学名词，Fixed support（固定约束），限制点、边或面的所有自由度。
⑤ 输出阻抗：阻抗是电路或设备对电流的阻力，输出阻抗是在出口处测得的阻抗，是一个信号源的内阻。阻抗越小，驱动更大负载的能力就越高。
⑥ 交流耦合：通过隔直电容耦合，去掉了直流分量。
⑦ 静态加速度和动态加速度：静态加速度是指重力加速度，是由于物体质量引发的加速度值，动态加速度是物体从开始位置移动产生的加速度，通常由运行、冲击或振动产生。
⑧ 直流耦合：是直通，交流直流一起过，并不去掉交流分量。
⑨ 零点漂移：是指放大电路在输入端短路（即没有输入信号输入）时，受温度变化，电源电压不稳等因素的影响，用灵敏的直流表测量输出端，也会有变化缓慢的输出电压产生，称为零点漂移现象。
⑩ 热容量：即比热容（Specific Heat Capacity），用符号c表示，是指单位质量物体改变单位温度时吸收或放出的热量大小。热容量越小，物体吸放热的能力越强，温度稳定性越好。
