MEMS加速度計(jì)在建筑與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
特性
SF2006SN.A
極低的噪音水平 (0.9µg/√Hz)
寬動(dòng)態(tài)范圍 (112 dB @ 100Hz BW)
1000Hz 直流頻率響應(yīng)
±5g 線性輸出
可工作于惡劣環(huán)境（沖擊、震動(dòng)、溫度）
自檢
介紹
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SHM）越來(lái)越多地被應(yīng)用在世界各地，尤其是地震高頻發(fā)的地方，用于地震前的測(cè)繪和地震烈度測(cè)量，也可直接用在大型結(jié)構(gòu)內(nèi)，如建筑物，水壩，橋梁，核電站等大型結(jié)構(gòu)等。由次表層山泥傾瀉或外部應(yīng)力和振動(dòng)以確定結(jié)構(gòu)是否完整。
強(qiáng)震地震傳感器技術(shù)發(fā)展來(lái)自于自身的新興需求和傳統(tǒng)的機(jī)電解決方案（力平衡加速度計(jì)“FBA”或機(jī)電解決方案）正被更具成本效益和更強(qiáng)大的基于MEMS的解決方案日益取代。世界眾多地區(qū)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的增長(zhǎng)主要被分為預(yù)防對(duì)策和不可量化的預(yù)測(cè)以及許多大型結(jié)構(gòu)主觀老化，例如水壩，橋梁，高層建筑等。許多國(guó)家政府通過(guò)事先的結(jié)構(gòu)比較分析，來(lái)提供有效的民事保障、控制和干預(yù)方案的壓力也越來(lái)越大。這樣的事情在印度尼西亞、意大利、海地、智利、新西蘭、西班牙和日本的大地震期間和之后隨處可見(jiàn)。據(jù)報(bào)道地震幾乎占了所有自然災(zāi)害造成的死亡人數(shù)的60％，由這所造成的破壞性后果可知，政府和公眾應(yīng)高度重視此類事件。
一個(gè)相對(duì)小的系列傳感器目前已應(yīng)用在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，其中包括速度傳感器（寬帶且強(qiáng)震的）、傾斜和強(qiáng)震動(dòng)加速度計(jì)、應(yīng)變計(jì)、位置或位移計(jì)，曲率和腐蝕傳感器。這些傳感器符合國(guó)家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)繼承和采納了地質(zhì)和地球物理的研究。
強(qiáng)震加速度計(jì)
強(qiáng)震加速度計(jì)由美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)，被細(xì)分成（A、B、C、D）四個(gè)等級(jí)或標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)也被廣泛用作參考。關(guān)鍵參數(shù)鑒定了在各類g的滿量程動(dòng)態(tài)范圍、關(guān)鍵頻段的噪音水平、線性度和功耗。
C級(jí)傳感器 如今最常見(jiàn)的要求是通過(guò)一系列開(kāi)環(huán)電容式MEMS的傳感器將其功能表現(xiàn)出來(lái)，良好的可靠性，低功耗和更低成本從而優(yōu)化在汽車發(fā)展和最近的多媒體中的應(yīng)用。噪聲性能的限制和信號(hào)的分辨率常常限制其使用，很多環(huán)境噪聲水平較高的如快速地震發(fā)生檢測(cè)或用于切換關(guān)閉基礎(chǔ)設(shè)施的預(yù)警保護(hù)，如電梯、煤氣或電力供應(yīng)，還有作為“喚醒”為功耗敏感系統(tǒng)的信號(hào)的這些應(yīng)用都有所限制。
B級(jí)傳感器 今天能廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康及建筑監(jiān)測(cè)，這歸功于它們0.02至100Hz頻段的高水平（>18位）信號(hào)的分辨率。高動(dòng)態(tài)范圍需要比較事件前后的數(shù)據(jù)，精確而可靠地監(jiān)控相對(duì)變化或結(jié)構(gòu)的損壞。滿量程g范圍的需求已逐步增加到±5g，以反映從整個(gè)建筑放大后實(shí)際記錄的3g至4g的加速度水平（+1g的力補(bǔ)償）。線性水平最大約為滿刻度的1%。傳統(tǒng)的力平衡加速度計(jì)和結(jié)合伺服回路電子的大型機(jī)電結(jié)構(gòu)常用作B級(jí)傳感器，因?yàn)樗鼈兲峁┝霜?dú)特的解決方法。這些產(chǎn)品長(zhǎng)期的性能與可靠性是在惡劣環(huán)境、功耗和尺寸的要求下最好的辦法。許多應(yīng)用需要更強(qiáng)大的產(chǎn)品，體積更小，功耗更低，這始終推動(dòng)了MEMS解決方法的推陳出新，如Colibrys的SF2006SN.A。
A級(jí)傳感器 的特點(diǎn)，尤其突出的是它們極高的信號(hào)分辨率（20至24位）和高動(dòng)態(tài)范圍，特別是在非常低的頻率更為突出。它們通常應(yīng)用于各地地理科學(xué)與民事保護(hù)。但也有著由于功耗高導(dǎo)致相對(duì)較低的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取，過(guò)低的動(dòng)態(tài)范圍及過(guò)于高的成本這些問(wèn)題�，F(xiàn)階段MEMS的發(fā)展已著重于這些，在不久的將來(lái)會(huì)研發(fā)更令人感興趣的替代品給用戶，這是一個(gè)新的大機(jī)遇。
Colibrys 加速度計(jì)在建筑與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
Colibrys在世界地震應(yīng)用范圍內(nèi)已是公認(rèn)的領(lǐng)先者，主要向市場(chǎng)提供C級(jí)和B級(jí)的MENS傳感器。Colibrys有SF2006和SF1500系列的B類傳感器（如圖2）。SF2006SN在更大的滿量程（±5g）條件下仍然保持了一個(gè)非常低的噪聲（900ngrms/√Hz）。這使得它有更高的加速度來(lái)更理想地去衡量地震遙感和結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。
SF1500S和SF1500SN提供了無(wú)與倫比的噪聲性能與魯棒性。這±3g的MEMS傳感器只有僅極低的300ngrms/√Hz的噪聲，是測(cè)量強(qiáng)震的理想選擇。
工作原理
SF2006和SF1500工作在兩極電源電壓上，范圍從±6V至±15V，電流消耗基本為6V條件下±12mA。線性加速度范圍，SF1500為±3g，而SF2006為±5g，相應(yīng)的靈敏度分別為1.2V/g和0.8V/g。這兩款產(chǎn)品可以工作在從-40°C至+85°C的寬溫度范圍下，并能在不降低性能的情況下承受高達(dá)1500g的沖擊。超過(guò)滿量程的頻率響應(yīng)，SF2006為DC> 1500Hz，SF1500為DC>1000Hz。
總結(jié)
已建立的許多批量供應(yīng)MEMS電容式傳感器的供應(yīng)商正在探索去擴(kuò)大這一市場(chǎng)或分散其現(xiàn)有的基礎(chǔ)業(yè)Colibrys基于MEMS的地震產(chǎn)品，其極低的噪聲和較大的動(dòng)態(tài)范圍，是世界上同類產(chǎn)品中最好的，這是個(gè)取代傳統(tǒng)的力平衡加速度計(jì)（FBAS）的獨(dú)一無(wú)二的機(jī)會(huì)。
在未來(lái)幾年希望能夠根據(jù)最新的MEMS傳感器和封閉的循環(huán)電子設(shè)計(jì)推出新的成本更低、功耗更低的A級(jí)和B的傳感器，并開(kāi)始建立共享供
應(yīng)A級(jí)傳感器的市場(chǎng)。