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Beschleunigungsmesser Bereich & Empfindlichkeit

Berechnet Ausgangsspannung, ADC-Auflösung und mg pro LSB aus Empfindlichkeit und Vollausschlag-Bereich.

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Formel

V_out = V_ref/2 ± (S × a)

S— Sensitivity (mV/g)
a— Acceleration (g)

Wie es funktioniert

Ein Beschleunigungsmesser wandelt die Beschleunigung in ein elektrisches Signal um. Analoge MEMS-Beschleunigungsmesser (z. B. ADXL335) geben eine Spannung aus, die proportional zur Beschleunigung ist: V_out = V_ref/2 + S × a, wobei S die Empfindlichkeit in mV/g ist, a die Beschleunigung in g ist und V_ref/2 der Nullausgang (Mid-Rail) ist. Die Empfindlichkeit S stammt aus dem Datenblatt und hängt vom gesamten Messbereich ab: Größere Bereiche haben eine geringere Empfindlichkeit (weniger mV pro g). Digitale Beschleunigungsmesser (z. B. MPU-6050, LIS3DH) geben digitale Zählwerte mit einem konfigurierbaren Skalierungsfaktor aus. Die Auflösung in mg/LSB hängt von der ADC-Bittiefe und der Versorgungsspannung ab: Bei N-Bit-ADC und V_CC-Versorgung beträgt die Spannung pro LSB v_cc/2^N und die Beschleunigung pro LSB beträgt (v_cc/2^N × 1000) /S mg. ADXL335 mit S = 300 mV/G, 12-Bit-ADC, 3,3 V-Versorgung ergibt beispielsweise 3300/4096 = 0,806 mV/LSB oder 0,806/300 = 2,7 mg/LSB. Die Bandbreite wird durch den RC-Filter an den Ausgangspins eingestellt. Ein 10-μF-Kondensator bietet eine Bandbreite von ~0,5 Hz für seismische Anwendungen, während 0,1 μF für Schwingungsmessungen ~50 Hz ergeben.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Der ADXL335 hat S = 300 mV/G und einen vollen Messbereich von ±3 g. Er wird mit 3,3 V versorgt und in einen 10-Bit-ADC eingespeist. Ermitteln Sie die Ausgangsspannung bei 1 g und die Auflösung in mg/LSB. Lösung: 1. Null-G-Ausgang: V= 3,3/2 = 1,65 V 2. Ausgang bei 1 g: V_out = 1,65 + 0,300 × 1 = 1,95 V 3. ADC-Zähler = 2^10 = 1024; Spannung pro LSB = 3,3/1024 = 3,22 mV 4. Beschleunigung pro LSB = 3,22 mV/300 mV/g = 0,01073 g = 10,7 mg/LSB Ergebnis: Die Ausgangsspannung beträgt 1,95 V bei 1 g mit einer Auflösung von 10,7 mg pro ADC-Schritt.

Praktische Tipps

  • ✓Montieren Sie den Beschleunigungsmesser so, dass die Leiterplatte fest an der gemessenen Struktur befestigt ist — jede mechanische Resonanz der Leiterplatte selbst erscheint als Beschleunigungssignal bei der Resonanzfrequenz.
  • ✓Verwenden Sie für die Neigungserfassung eine Bandbreite von 1—10 Hz (große Filterkappe); für die Schwingungsüberwachung verwenden Sie eine Bandbreite von 100 Hz—1 kHz; für die Schockerkennung verwenden Sie die maximale Bandbreite ohne Filter.
  • ✓Kalibrieren Sie, indem Sie die Ausgangsleistung bei ±1 g (horizontale Drehung) messen, um die tatsächliche Empfindlichkeit und den Null-G-Offset zu ermitteln — beide weichen um ±10— 15% von der Nennspezifikation ab.

Häufige Fehler

  • ✗Verwenden Sie die Empfindlichkeitsspezifikation aufgrund einer falschen Versorgungsspannung — die Empfindlichkeit des ADXL335 variiert je nach V_CC zwischen 270 und 330 mV/G; verwenden Sie immer die Empfindlichkeit, die Ihrer Versorgungsspannung entspricht.
  • ✗Verwechseln Sie ±g Endbereich mit Spitze-Spitze — ±3 g bedeutet, dass der Sensor bei +3 g und −3 g gesättigt ist, was 6 g Spitze-Spitze ergibt; der gesamte Spannungssprung beträgt 2 × S × FS_Range.
  • ✗Wenn Sie die Bandbreite des Ausgangsfilters ignorieren — wenn der Filterkondensator nicht angeschlossen ist, entsteht eine maximale Bandbreite (~1,6 kHz für den ADXL335) und ein hohes Rauschen. Fügen Sie den empfohlenen Kondensator für Ihre Anwendungsbandbreite hinzu.

Häufig gestellte Fragen

Analoge Beschleunigungsmesser geben eine kontinuierliche Spannung aus, die proportional zur Beschleunigung ist, und benötigen einen externen ADC. Digitale Beschleunigungsmesser (I²C- oder SPI-Ausgang) enthalten einen internen ADC und liefern direkt digitale Zählwerte, was die Firmware vereinfacht und analoges Rauschen von Leiterplattenspuren vermeidet. Digitale Typen verfügen häufig über konfigurierbare Vollbereiche, FIFO-Puffer und Interrupt-Ausgänge.
Die MEMS-geprüfte Massenverschiebung für eine gegebene Beschleunigung muss innerhalb des physikalischen Bereichs der mechanischen Struktur bleiben. Bei einem größeren g-Bereich wird die elektrostatische Rückstellkraft erhöht (wodurch die Verschiebung pro g verringert wird), wodurch die Ausgangsspannung pro g sinkt. Ein ±2-g-Sensor ist empfindlicher, sättigt jedoch bei niedrigeren Beschleunigungen als ein ±16-g-Sensor.
Wenden Sie einen Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz unter den interessierenden Signalen an (z. B. 0,5—2 Hz für Vibration). Subtrahieren Sie in der Firmware den gleitenden Durchschnitt oder verwenden Sie einen IIR-Filter zum Blockieren von Gleichstrom. Für die Neigungserfassung müssen Sie den Gleichstrom beibehalten. In diesem Fall kalibrieren und subtrahieren Sie stattdessen den bekannten Null-G-Offset.

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