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MEMS振動檢測:速度到加速度

2017-06-08
作者:Mark Looney
來源:ADI公司

       在現代狀態監控(CM)系統中,MEMS加速度計用作振動傳感器正在日趨成熟。測量范圍、帶寬和分辨率(噪聲)等性能在近期獲得的擴展,使得新概念和系統架構成為可能,狀態監控開發商等待這一機會為時已久,迫切希望利用MEMS傳感器的尺寸、成本和可靠性優勢。當系統架構師進行先期可行性研究時,可能需要評估特定傳感器能夠支持何種范圍的振動幅度(VMIN、VMAX)和頻率(fMIN、fMAX)。若幅度特性用速度來表示,則開發人員需要將其轉換為加速度,以便對照傳感器重要規格(噪聲、范圍)進行評估。方程式1提供了一種消弭此分歧的辦法,即對速度V(t)的單一頻率(fV)模型求導,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聯起來的簡單公式(參見方程式2)。

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(2)

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       假設加速度計在系統振動邊界最具壓力的部分工作,即最低頻率(fMIN)和幅度(VMIN)下,則通過上述關系的均方根形式可確定加速度計噪聲的邊界條件。當對照“工業標準振動嚴重程度分類”評估特定加速度計時,這種形式的關系可能很有用。例如,方程式3確定在10 Hz的最低振動頻率時,加速度計測量的噪聲必須小于7.18 mg才能很好地檢測到2類機器的振動嚴重程度(依據ISO-10816-1,VMIN = 1.12 mm/s)。

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(3)

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

方程式4是其一般形式,其中還給出了一個例子,即估算與加速度計ADXL357相關聯的總噪聲(ND = 80 μg/√Hz),它配合一個截止頻率為1000 Hz (fC = 1000 Hz)的單極點低通濾波器使用。在4.7 mg時,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(參見方程式5)可用于估算加速度計的另一重要邊界條件:測量范圍。方程式5也提供了一個具體例子,得出要測量4類設備上不可接受的振動嚴重程度(依據ISO-1081-1,VMAX = 28 mm/s,頻率fMAX = 1000 Hz),至少需要±25.3 g的測量范圍。

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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證,但這種水平的分析有助于在投資早期測試平臺和開展特性測試之前,確保設計符合最基本的邊界條件。

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