《电子技术应用》

MEMS振动检测:速度到加速度

ADI公司 作者:Mark Looney
2017/6/8 13:19:00

       在现代状态监控(CM)系统中,MEMS加速度计用作振动传感器正在日趋成熟。测量范围、带宽和分辨率(噪声)等性能在近期获得的扩展,使得新概念和系统架构成为可能,状态监控开发商等待这一机会为时已久,迫切希望利用MEMS传感器的尺寸、成本和可靠性优势。当系统架构师进行先期可行性研究时,可能需要评估特定传感器能够支持何种范围的振动幅度(VMIN、VMAX)和频率(fMIN、fMAX)。若幅度特性用速度来表示,则开发人员需要将其转换为加速度,以便对照传感器重要规格(噪声、范围)进行评估。方程式1提供了一种消弭此分歧的办法,即对速度V(t)的单一频率(fV)模型求导,得出等效加速度公式a(t)。

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       利用方程式1中的加速度公式,可以得到将其峰值和均方根值与等效速度水平关联起来的简单公式(参见方程式2)。

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(2)

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       假设加速度计在系统振动边界最具压力的部分工作,即最低频率(fMIN)和幅度(VMIN)下,则通过上述关系的均方根形式可确定加速度计噪声的边界条件。当对照“工业标准振动严重程度分类”评估特定加速度计时,这种形式的关系可能很有用。例如,方程式3确定在10 Hz的最低振动频率时,加速度计测量的噪声必须小于7.18 mg才能很好地检测到2类机器的振动严重程度(依据ISO-10816-1,VMIN = 1.12 mm/s)。

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(3)

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加速度计的噪声密度(ND)乘以噪声带宽(fNBW)的平方根,是估算特定加速度计和滤波器配置的总噪声的相对简单方法。

方程式4是其一般形式,其中还给出了一个例子,即估算与加速度计ADXL357相关联的总噪声(ND = 80 μg/√Hz),它配合一个截止频率为1000 Hz (fC = 1000 Hz)的单极点低通滤波器使用。在4.7 mg时,ADXL357似乎满足方程式3中的边界条件。

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(4)

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       方程式2的峰值形式(参见方程式5)可用于估算加速度计的另一重要边界条件:测量范围。方程式5也提供了一个具体例子,得出要测量4类设备上不可接受的振动严重程度(依据ISO-1081-1,VMAX = 28 mm/s,频率fMAX = 1000 Hz),至少需要±25.3 g的测量范围。

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(5)

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虽然最终传感器选择可能还需要其他考量和验证,但这种水平的分析有助于在投资早期测试平台和开展特性测试之前,确保设计符合最基本的边界条件。

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