MEMS加速计的参数应用和解读

出处:厂商供稿 发布于:2022-09-26 17:14:27

    加速度计能够测量加速度、倾斜、振动或冲击。振动监测可用于监测机器、设备或结构的健康状况。在机器和设备运行过程中可以使用加速度传感器采集机器和设备的振动数据并做数据分析使用。在振动监测应用中,的振动传感器是基于MEMS技术。
MEMS加速计即基于一种基于MEMS技术的加速度计。在开始具体应用之前,我们需要MEMS加速度计的一些关键参数做出准确理解,明确其实际的含义,这样才能帮助我们选出合适的加速度计。

灵敏度 表示传感器每输入一个加速度后传感器的输出变化量,灵敏度的基本单位为:mV/g或mV/(m/s?),例如典型工业应用场景中,加速度计的灵敏度值一般为100mV/g,表示每收到“g”的加速度时,加速度传感器的输出都会线性变换100mV。在实际应用中,灵敏度通常会有一个公差,在公差范围内是可以接受的。

一阶模型
从一阶数学模型角度来理解灵敏度,在一阶模型中,我们用上图图中的数学模型来描述MEMS加速度计对线性加速度a(t)的响应y(t);b是加速度计没有加速度信号输入时加速度计的输出值,KA是比例因子,这也就是我们关注的灵敏度参数。

频率响应 是描述灵敏度相对于的值,描述灵敏度在一定频率范围内的变化。在MEMS加速度计中,在不考虑安装等因素,影响频率响应的因素主要有两个:(1) 加速度计的机械响应,可以理解为加速度计固有的频率;(2) 谐振频率信号链路的滤波响应,滤波器频率。

如上图所示,用ADXL356的X轴频率响应举例,谐振频率大概在5500Hz左右,可以用来表征谐振频率。

ADXL356的两个滤波器
ADXL356有两个滤波器,内部滤波器截止频率为1.5kHz,外部滤波器截止频率可以根据片上电阻配合外部滤波电容来设置。传感器的机械响应会引入某些增益,在谐振频率处增益,对于ADXL356而言,在2kHz左右到谐振频率会相应的引入增益,虽然ADXL356内部滤波器会衰减输出响应,两者结合起来,整体上ADL356的截止频率到2.4kHz。如下图手册中描述。
测量范围 表示MEMS加速度计可以测量的加速度范围。动态加速度计具有与测量电压相关的测量范围,例如振动输出电压为5V,对于100mV/g的传感器而言,测量范围为50g。另外测量范围也与频率有一定关系,我们知道传感器的机械响应会引入某种响应增益,增益响应的峰值出现在谐振频率时。对于ADXL356,从频率响应的图中可以看到,在5.5kHz处增益峰值约为4倍,所以测量范围由±40g变为±10g。因为灵敏度和测量范围会变化的原因,多数振动监测应用会将测量的频率限制在远低于谐振频率范围内,保证测量精度。正确理解MEMS加速度计的关键参数是正确应用的基础,如果错误理解参数含义就可能在应用中选择了不合适的器件或引入了潜在测量误差。

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