《電子技術(shù)應(yīng)用》
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MEMS振動(dòng)檢測(cè):速度到加速度

2017-06-08
作者:Mark Looney
來(lái)源:ADI公司

       在現(xiàn)代狀態(tài)監(jiān)控(CM)系統(tǒng)中,MEMS加速度計(jì)用作振動(dòng)傳感器正在日趨成熟。測(cè)量范圍、帶寬和分辨率(噪聲)等性能在近期獲得的擴(kuò)展,使得新概念和系統(tǒng)架構(gòu)成為可能,狀態(tài)監(jiān)控開(kāi)發(fā)商等待這一機(jī)會(huì)為時(shí)已久,迫切希望利用MEMS傳感器的尺寸、成本和可靠性優(yōu)勢(shì)。當(dāng)系統(tǒng)架構(gòu)師進(jìn)行先期可行性研究時(shí),可能需要評(píng)估特定傳感器能夠支持何種范圍的振動(dòng)幅度(VMIN、VMAX)和頻率(fMIN、fMAX)。若幅度特性用速度來(lái)表示,則開(kāi)發(fā)人員需要將其轉(zhuǎn)換為加速度,以便對(duì)照傳感器重要規(guī)格(噪聲、范圍)進(jìn)行評(píng)估。方程式1提供了一種消弭此分歧的辦法,即對(duì)速度V(t)的單一頻率(fV)模型求導(dǎo),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,可以得到將其峰值和均方根值與等效速度水平關(guān)聯(lián)起來(lái)的簡(jiǎn)單公式(參見(jiàn)方程式2)。

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(2)

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       假設(shè)加速度計(jì)在系統(tǒng)振動(dòng)邊界最具壓力的部分工作,即最低頻率(fMIN)和幅度(VMIN)下,則通過(guò)上述關(guān)系的均方根形式可確定加速度計(jì)噪聲的邊界條件。當(dāng)對(duì)照“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)嚴(yán)重程度分類”評(píng)估特定加速度計(jì)時(shí),這種形式的關(guān)系可能很有用。例如,方程式3確定在10 Hz的最低振動(dòng)頻率時(shí),加速度計(jì)測(cè)量的噪聲必須小于7.18 mg才能很好地檢測(cè)到2類機(jī)器的振動(dòng)嚴(yán)重程度(依據(jù)ISO-10816-1,VMIN = 1.12 mm/s)。

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(3)

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加速度計(jì)的噪聲密度(ND)乘以噪聲帶寬(fNBW)的平方根,是估算特定加速度計(jì)和濾波器配置的總噪聲的相對(duì)簡(jiǎn)單方法。

方程式4是其一般形式,其中還給出了一個(gè)例子,即估算與加速度計(jì)ADXL357相關(guān)聯(lián)的總噪聲(ND = 80 μg/√Hz),它配合一個(gè)截止頻率為1000 Hz (fC = 1000 Hz)的單極點(diǎn)低通濾波器使用。在4.7 mg時(shí),ADXL357似乎滿足方程式3中的邊界條件。

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(4)

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       方程式2的峰值形式(參見(jiàn)方程式5)可用于估算加速度計(jì)的另一重要邊界條件:測(cè)量范圍。方程式5也提供了一個(gè)具體例子,得出要測(cè)量4類設(shè)備上不可接受的振動(dòng)嚴(yán)重程度(依據(jù)ISO-1081-1,VMAX = 28 mm/s,頻率fMAX = 1000 Hz),至少需要±25.3 g的測(cè)量范圍。

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(5)

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雖然最終傳感器選擇可能還需要其他考量和驗(yàn)證,但這種水平的分析有助于在投資早期測(cè)試平臺(tái)和開(kāi)展特性測(cè)試之前,確保設(shè)計(jì)符合最基本的邊界條件。

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