用數據帶你了解真正的MEMS加速度計

2020-11-29 電子發燒友

用數據帶你了解真正的MEMS加速度計

工程師曾暄茗 發表於 2018-07-07 10:19:00

之前我們分享的文章《狀態監控和MEMS加速度計：你需要知道什麼》中，介紹了微機電系統(MEMS)加速度計的多項特性，它們使得該技術對狀態監控應用極具吸引力。

今天我們將通過回顧一些數據來說明MEMS技術的發展狀況及性能水平，並將其與商用壓電(PZT)狀態監控加速度計進行比較。

對MEMS工藝技術的投資加上設計創新，已大大改善MEMS性能，使得MEMS足以成為更廣泛狀態監控應用的可行選擇。採用專門化MEMS結構和工藝技術，現在已實現諧振頻率高達50 kHz、噪聲密度低至25 g/Hz的加速度計。通過精心設計的信號調理電子電路，可以充分發揮此類新型加速度計的低噪聲優勢。

圖1. 新型高頻加速度計的噪聲譜密度圖

性能和比較數據

為了評估最新MEMS加速度計是否適合狀態監控應用，我們對其和一款商用PZT型狀態監控加速度計進行了對照測量。為確保這兩種傳感器具有相似的質量並受到相同激勵信號作用，我們將MEMS傳感器粘附於PZT傳感器的外殼。與PZT傳感器一樣，MEMS加速度計的單電源模擬輸出直接輸入到同一數據記錄儀的模擬輸入通道。一個數據採集儀(DAQ)用作這些實驗的採集系統。

電機未對準仿真

在振動測試儀上重建了一個實際場景，例如在基于振動的狀態監控中所述的場景，以便利用已知激勵信號比較器件。本例展示了一臺以5100 rpm (85 Hz)運轉的汽輪機和一臺未對準的3000 rpm (50 Hz)同步發電機的振動水平。該場景說明的是採用隨機振動測試模式時，振動系統經編程所產生的頻率和振幅。表1列出了兩個器件在目標頻率的振幅測量結果。

表1. 電機未對準仿真設定點

圖2顯示了21 kHz諧振頻率的MEMS加速度計和25 kHz諧振頻率的PZT傳感器的頻譜測量結果。MEMS加速度計在1 Hz至1 kHz頻段中的均方根(rms)輸出要比PZT加速度計高出大約30 mg或1.7%。

圖2. PZT加速度計（上）和MEMS加速度計（下）的噪聲密度譜；在高達10 kHz時，結果幾乎相同；主要差別在MEMS加速度計的低頻響應。

不同於PZT器件，MEMS器件具有低頻響應性能（可測量0.1 Hz時的1/f）；對於風輪機等超低頻率機器，需要關注此點（它還支持更快速地從飽和狀態恢復）。振動激勵系統的頻率響應會在超低頻率時滾降，故通過"敲擊"試驗裝置來測試兩個器件的響應，並且捕捉響應結果。記錄的時域測量結果隨後被轉換到頻域。結果如圖3所示。注意，MEMS加速度計能夠記錄低至DC的響應。

圖3. 敲擊時兩個加速度計的響應比較

相比於PZT傳感器，用模擬輸出直接驅動DAQ的MEMS傳感器實現了很好的結果。這表明，MEMS加速度計是輸出通道重新建構的新型狀態監控產品的合適候選器件，尤其是它支持實現基於半導體器件（採用+5 V單電源供電）的全新概念，例如無線智能傳感器。

表面上，第一代加速度計具有高頻響應性能(22 kHz)和±70g、±250g、±500g的寬滿量程範圍(FSR)，似乎對此類應用有吸引力。遺憾的是，其噪聲水平高達4 mg/Hz，這是大多數狀態監控應用不能接受的。比較測試中使用的是第二代器件，其噪聲比第一代器件降低了兩個數量級，而功耗降至第一代的40%。表2總結了兩代MEMS加速度計的性能比較結果，並突出顯示了性能改進。

表2. 第一代和第二代MEMS加速度計針對狀態監控的關鍵規格比較

電氣信號調理經驗和高解析度MEMS加速度計發展的結合，促成MEMS加速度計的性能達到狀態監控應用的要求。低物理噪聲水平的高頻加速度計，配上高性能、低噪聲、高穩定性的信號處理設計技術，克服了以前妨礙MEMS提供與PZT狀態監控傳感器相比擬的性能的根本限制。

主圖: 

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