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基于MEMS加速度计的振动监控解决方案

2017年08月08日 14:17 次阅读

简介

MEMS加速度计终于达到了能够测量广泛机器平台振动的阶段。其最近的能力进步,加上MEMS加速度计已有的相对于传统振动传感器的诸多优势(尺寸、重量、成本、抗冲击性、易用性),促使一类新兴的状态监控(CBM)系统开始使用MEMS加速度计。结果,许多CBM系统架构师、开发者甚至其客户首次考虑使用此类传感器。他们面临的问题常常是如何快速了解评估MEMS加速度计功能的方法,以便在其机器平台上测量最重要的振动特性。这初看起来似乎很困难,因为MEMS加速度计数据手册表述最重要性能特性的方式常常不是开发人员所熟悉的。例如,许多人熟悉用线速度(mm/s)来量化振动,但大多数MEMS加速度计数据手册是用基于重力的加速度(g)来表达其性能指标。幸运的是,有一些简单的技术可用来将加速度转换为速度,以及估计加速度计关键特性(频率响应、测量范围、噪声密度)对重要系统级标准(带宽、平坦度、峰值振动、分辨率)的影响。

基本振动特性

先从惯性运动角度考察线性振动。在此背景下,振动是平均位移为零的机械振荡。对于那些不希望其机器穿越整个车间的人来说,零平均位移非常重要!振动检测节点中核心传感器的价值与它反映机器振动最重要特性的能力高低直接相关。要评估特定MEMS加速度计在这方面的能力,首先必须从惯性运动角度对振动有一个基本了解。图1是振动情况的物理示意图,灰色部分表示中点,蓝色部分表示一个方向的峰值位移,红色部分表示另一方向的峰值位移。等式1提供了一个描述矩形物体瞬时加速度的数学模型,其振动频率为(fV),幅度为Arms。

基于MEMS加速度计的振动监控解决方案

图1.简单线性振动

基于MEMS加速度计的振动监控解决方案

在大部分CBM应用中,机器平台的振动常常有比等式1所示模型更复杂的频谱特征,但此模型为学习发现之旅提供了一个很好的出发点,因为它给出了CBM系统常常会跟踪的两个常见振动特性:幅度和频率。此方法对关键特性到线性速度项的转换也很有用(稍后将有更多说明)。图2提供了两类不同振动模式的频谱视图。第一类(参见图2中的蓝线)在其频率范围(f1到f6)内具有恒定幅度。第二类(参见图2中的红线)在四个不同频率处出现了峰值幅度:f2, f3, f4, 和 f5.

基于MEMS加速度计的振动监控解决方案

图2.CM振动模式示例

系统要求

测量范围、频率范围(带宽)和分辨率是用来量化振动检测节点能力的三个常见特性。图2通过虚线矩形框显示了这些特性,其边界分别对应最低频率(fMIN)、最高频率(fMAX)、最小幅度(AMIN)和最大幅度(AMAX)。当考虑将MEMS加速度计用作振动检测节点中的核心传感器时,系统架构师很可能想在设计早期分析其频率响应、测量范围和噪声行为。有一些简单的技术可用来评估加速度计的各种特性,进而预判其是否满足指定的一组要求。很显然,系统架构师最终必须通过实际验证和鉴定来核验上述估计,但由对加速度计能力的早期分析和预测所得来的期望对这些工作是有价值的。

频率响应

图2提供了一个简单的一阶模型,其描述了时域中MEMS加速度计对线性加速度(a)的响应(y)。在该关系中,偏置(b)表示传感器无振动时的输出值。比例因子(KA)表示MEMS加速度计响应(y)相对于线性加速度(a)变化的改变量。

基于MEMS加速度计的振动监控解决方案

传感器的频率响应描述比例因子(KA)相对于频率的值。在MEMS加速度计中,频率响应主要有两个贡献因素:(1) 其机械结构的响应;(2) 其信号链中的滤波响应。等式3提供了一个通用二阶模型,其近似描述了MEMS加速度计机械部分对频率的响应。在该模型中,fO表示谐振频率,Q表示品质因数。

基于MEMS加速度计的振动监控解决方案

信号链的贡献常常取决于应用所需的滤波。某些MEMS加速度计使用单极点低通滤波器来帮助降低谐振频率时的响应增益。等式4为此类滤波器相关的频率响应(HSC)提供了一个通用模型。在该类滤波器模型中,截止频率(fC)表示输出信号幅度比输入信号低√2倍时的频率。

基于MEMS加速度计的振动监控解决方案

等式5将机械结构(HM)和信号链(HSC)的贡献进行了合并。

基于MEMS加速度计的振动监控解决方案

图3直接应用此模型来预测ADXL356(x轴)的频率响应。此模型假设标称谐振频率为5500 Hz,Q为17,使用截止频为1500 Hz的单极点低通滤波器。注意,等式5和等式4仅描述了传感器的响应。此模型未考虑加速度计与其监控的平台的耦合方式。

基于MEMS加速度计的振动监控解决方案

图3.ADXL356频率响应

带宽与平坦度的关系

在利用单极点低通滤波器(例如等式4所用)建立频率响应的信号链中,其带宽规格常常说明了其输出信号提供输入信号50%功率时的频率。对于更复杂的响应,例如等式5和等式3中的三阶模型,带宽规格常常带有相应的平坦度规格。平坦度特性描述比率因子在频率范围(带宽)内的变化。利用图3和图5中的ADXL356仿真,1000 Hz时的平坦度约为17%,2000 Hz时的平坦度约为40%。

虽然许多应用由于平坦度(精度)要求而需要限制可以使用的带宽,但对有些应用来说,这可能不是问题。例如,某些应用可能更注重跟踪随时间的相对变化,而不是绝对精度。另一个例子是利用数字后处理技术来消除用户最关心的频率范围上的纹波。对于此类情况,在给定频率范围时,响应的可重复性和稳定性常常比响应的平坦度更重要。

测量范围

MEMS加速度计的测量范围指标表示传感器的输出信号可以跟踪的最大线性加速度。在超出额定测量范围的线性加速度水平,传感器的输出信号会饱和。这种情况会引起严重失真,导致难以(甚至无法)从测量结果提取有用信息。因此,必须确保MEMS加速度计能够支持峰值加速度水平(参见图2中的AMAX)。

注意,测量范围与频率有一定的关系,因为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的仿真响应(参见图3),增益峰值约为4倍,故测量范围从±40 g降至±10 g。等式6提供了一种分析方法来预测此值,它以等式5为出发点:

基于MEMS加速度计的振动监控解决方案

比例因子的大幅变化和测量范围的降低,是大多数CBM系统希望将其遭受的最大振动频率限制在远低于传感器谐振频率水平的两个原因。

分辨率

仪器分辨率可定义为环境中引起仪器示数发生可检测变化的最小值。“1在振动检测节点中,加速度测量的噪声会直接影响其检测振动变化的能力(即”分辨率“)。因此,对于那些正在考虑利用MEMS加速度计检测其机器平台上微小振动变化的人来说,噪声行为是一个重要考虑因素。等式7提供了一个用于量化MEMS加速度计噪声对其分辨微小振动变化能力的影响的简单关系式。在该模型中,传感器的输出信号(yM)等于其噪声(aN)与其经受的振动(aV)之和。因为噪声(aN)与振动(aV)没有相关性,所以传感器输出信号的幅度(|yM|)等于噪声幅度(|aN|)与振动幅度(|aV|)的和方根(RSS)。

基于MEMS加速度计的振动监控解决方案

那么,需要何种振动水平才能克服测量中的噪声负担,在传感器输出信号中产生可观测的响应?根据噪声水平量化振动水平有助于以分析方式探究这个问题。等式8通过比率(KVN)确定了这一关系,然后根据该比率导出了一个预测传感器输出变化水平的关系:

基于MEMS加速度计的振动监控解决方案

表1提供了此关系的一些数值例子,以帮助说明传感器输出测量结果相对于振动与噪声幅度之比(KVN)的增加。为简明起见,本文剩余部分假设传感器测量的总噪声决定其分辨率。从表1可知,这对应于KVN为1的情况,即振动幅度等于噪声幅度。在这种情况下,传感器的输出幅度相对于零振动时的输出幅度会增加42%。注意,为了确定该情况下分辨率的相关定义,每种应用可能需要考虑系统中可观测到何种水平的增加。

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发表于 2018-03-29 16:57 1378次阅读
传感之王ams 2017年实现100%营收增长,...

一氧化碳传感器在火灾报警中的应用

众所周知,火灾发生时气体燃烧产物主要为CO,CO2,H2O,其产生比燃烧烟要早得多(几十分钟至几个小...

发表于 2018-03-29 16:54 586次阅读
一氧化碳传感器在火灾报警中的应用

物联网传感器的未来等相关问题进行讨论

BMI085一款高性能6轴惯性测量单元(IMU)BMI085,其将3轴16位MEMS加速度传感器和一...

发表于 2018-03-29 15:51 309次阅读
物联网传感器的未来等相关问题进行讨论

SII精工半导体正式改名为ABLIC Inc“3...

从最初的精工半导体事业部开始,团队坚持3个基本的理念,白井正樹称之为“3S”,即Small、Smar...

发表于 2018-03-29 09:40 193次阅读
SII精工半导体正式改名为ABLIC Inc“3...

水栽法收获是普通农场10倍 移民火星不是梦

随着人类在太空中存活的时间越来越久,就会出现一个问题,那就是宇航员如何在远离蓝色星球的同时维持自己的...

发表于 2018-03-29 08:41 171次阅读
水栽法收获是普通农场10倍 移民火星不是梦

提供实时语言翻译功能的无线耳机 出国旅游不用愁了

不知道选择什么样的无线 耳机 ?或许 Mymanu Clik 会成为你的候选之一。这款全新的无线耳机...

发表于 2018-03-28 15:50 157次阅读
提供实时语言翻译功能的无线耳机 出国旅游不用愁了

物联网运用越来越广泛_攻击愈见强劲

物联网应用越来越广泛,针对物联网的攻击也日渐增加。市场研究机构 Gartner表示,以物联网为基础的...

发表于 2018-03-28 15:30 37次阅读
物联网运用越来越广泛_攻击愈见强劲

教你如何使用一个分压器测量电阻

测量现实世界现象的许多传感器都以改变电阻的形式表现其输出:热敏电阻为温度敏感型电阻,应变计随作用力而...

发表于 2018-03-28 09:18 733次阅读
教你如何使用一个分压器测量电阻

集成电路模拟输入和输出进行高压瞬变保护设计

源电压可能增大并超过TVS击穿电压,一直达到最大箝位电压。该电路中的过压保护开关的反应时间约为500...

发表于 2018-03-28 08:39 681次阅读
集成电路模拟输入和输出进行高压瞬变保护设计

测量多种温度传感器及数字方式输出应用方案

这就是稳定时间 tS 。tS取决于每个输入节点上个别电阻器(RSENSE 和 RTD)和电容器的数量...

发表于 2018-03-28 08:36 682次阅读
测量多种温度传感器及数字方式输出应用方案

以色列开发的全球最薄的夜视眼镜用于智能手机和自动...

以色列著名研究型学府本-古里安大学(Ben-Gurion University of the Neg...

发表于 2018-03-28 04:13 53次阅读
以色列开发的全球最薄的夜视眼镜用于智能手机和自动...

亚马逊希望有一款可以识别手势的无人机

亚马逊刚刚发布了一项无人机专利,该专利可以解释手势和声音指令,理论上可以使用这种设备来传送包裹。该专...

发表于 2018-03-28 02:50 226次阅读
亚马逊希望有一款可以识别手势的无人机

NXP智能洗衣机首次实现NFC和织物纤维识别功能

NXP半导体家电应用市场全球高级销售总监梅润平强调称,在一台家电中实现如此广泛的产品组合,在半导体行...

发表于 2018-03-27 23:16 62次阅读
NXP智能洗衣机首次实现NFC和织物纤维识别功能

大陆集团专为汽车应用而设计24GHz盲点雷达SR...

大陆集团SRR3-B雷达产品专门为汽车应用而设计,如盲点检测、变道辅助、后方两侧来车警告、预防追尾、...

发表于 2018-03-27 17:36 282次阅读
大陆集团专为汽车应用而设计24GHz盲点雷达SR...

【干货分享】液位传感器七种测量方式,你都了解了吗...

液位传感器(静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器)是一种测量液位的压力传感器。 静压投入式...

发表于 2018-03-27 16:38 50次阅读
【干货分享】液位传感器七种测量方式,你都了解了吗...

【转帖】电流传感器和互感器

发表于 2018-03-27 15:43 34次阅读
【转帖】电流传感器和互感器

柔宇科技的技术实力到底如何 带你认识你不知道的柔...

柔宇科技是由IDG资本、中信资本、深圳市创新投资集团、基石资本、松禾资本、源政投资、富汇创投、Alp...

发表于 2018-03-27 15:39 731次阅读
柔宇科技的技术实力到底如何 带你认识你不知道的柔...

德州仪器RF CMOS雷达技术助推ADAS

汽车雷达已经成为ADAS(高级驾驶辅助系统)的主流传感器之一。为了在最佳的传感器性能、成本和尺寸之间...

发表于 2018-03-27 15:36 264次阅读
德州仪器RF CMOS雷达技术助推ADAS

艾迈斯半导体(ams)专注传感器2017收入同比...

随着物联网、辅助驾驶及工业4.0等概念的深化,全球的传感器市场空间再一次被扩宽,2017年全球传感器...

发表于 2018-03-27 15:24 260次阅读
艾迈斯半导体(ams)专注传感器2017收入同比...

传感器的三个分类,什么是人工智能传感器?

“IoT应用非常细分,因为这里面有很多很多类型的传感器会被使用到。包括惯性、压力、温湿度、气体传感器...

发表于 2018-03-27 15:19 395次阅读
传感器的三个分类,什么是人工智能传感器?

探讨Zigbee中的轮询机制及其在火灾报警传感器...

了解 Zigbee 标准中的轮询特性有助于优化物联网 (IoT) 产品的功耗。本篇博文将进一步探讨 ...

发表于 2018-03-27 14:12 296次阅读
探讨Zigbee中的轮询机制及其在火灾报警传感器...

了解车内温度是怎么通过传感器控制的

无论是酷暑还是寒冬,利用汽车加热冷却系统,乘客始终可以享受到舒适的车内环境。在不同类别的车辆中,这些...

发表于 2018-03-27 13:09 87次阅读
了解车内温度是怎么通过传感器控制的

关于基恩士的颜色传感器的用法

发表于 2018-03-27 12:03 225次阅读
关于基恩士的颜色传感器的用法

从传感器到人工智能——盘点一些常见的传感器

温湿度传感器只是传感器其中的一种而已,只是把空气中的温湿度通过一定检测装置,测量到温湿度后,按一定的...

发表于 2018-03-27 10:59 473次阅读
从传感器到人工智能——盘点一些常见的传感器

大规模生产中如何测量触摸屏电容值

使用高分辨率SAR ADC的好处是无需模拟域的相位和幅度检测,这可以由处理器或FPGA来完成,灵活性...

发表于 2018-03-27 08:28 1889次阅读
大规模生产中如何测量触摸屏电容值

光电编码器基础--脉冲量输入

增量式光电编码器输出 A、B 两相相位差为 90°的脉冲信号(即所谓的两相正交输出信号),根据 A...

发表于 2018-03-26 15:24 244次阅读
光电编码器基础--脉冲量输入

从光电技术角度看自动驾驶

激光雷达和与之竞争的传感器技术(相机、雷达和超声波)加强了对传感器融合的需要,也对认真谨慎地选择光电...

发表于 2018-03-26 15:13 386次阅读
从光电技术角度看自动驾驶

虚拟仪器在位移测试系统中的应用

发表于 2018-03-26 14:27 201次阅读
虚拟仪器在位移测试系统中的应用

无人驾驶技术主要有几种技术组成

目前无人驾驶技术的实现主要是基于激光传感技术或者是超声雷达技术等,经过十余年的研究探索,许多机构和公...

发表于 2018-03-26 13:53 352次阅读
无人驾驶技术主要有几种技术组成

ADI 最新中文资料合集来了

发表于 2018-03-26 13:33 299次阅读
ADI 最新中文资料合集来了

坚实的技术底蕴成就物联网创新事业

从1985~1999年,堪称PC与互联网蓬勃兴起的时期,对我们而言,也是经济起飞的美好年代。在当时,...

发表于 2018-03-26 12:25 79次阅读
坚实的技术底蕴成就物联网创新事业

回收安捷伦U8487A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:31 70次阅读
回收安捷伦U8487A功率传感器

回收安捷伦U8488A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:30 89次阅读
回收安捷伦U8488A功率传感器

回收安捷伦U8481A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:26 70次阅读
回收安捷伦U8481A功率传感器

回收安捷伦U8485A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:22 70次阅读
回收安捷伦U8485A功率传感器

回收安捷伦U2020平均功率传感器

发表于 2018-03-26 10:17 72次阅读
回收安捷伦U2020平均功率传感器

回收安捷伦U2022XA平均功率传感器

发表于 2018-03-26 10:10 70次阅读
回收安捷伦U2022XA平均功率传感器