Sensor

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— Empfindlichkeit (mV/g)

a— Beschleunigung (g)

Wie es funktioniert

Dieser Rechner wandelt die Empfindlichkeitsspezifikationen des Beschleunigungsmessers in Auflösung und Ausgangsspannung um, was für Schwingungsanalytiker, Trägheitsnavigationsdesigner und Entwickler von IoT-Bewegungssensoren unverzichtbar ist. Die Ausgangsspannung oder die digitalen Werte von MEMS-Beschleunigungsmessern sind proportional zur Beschleunigung: Vout = Vref/2 + S a, wobei S die Empfindlichkeit in mV/G und a die Beschleunigung ist. Analoge MEMS (ADXL335, MMA7361) bieten eine Empfindlichkeit von 200-800 mV/g mit einem Gesamtbereich von +/-1,5 bis +/-16 g gemäß den Datenblättern von Analog Devices und NXP. Die Empfindlichkeit skaliert umgekehrt mit dem Bereich: Größere Bereiche haben niedrigere mV/g (die Prüfmasse wird weniger pro g abgelenkt). Die Auflösung in mg/LSB hängt von den ADC-Bits und der Versorgung ab: Auflösung = (Vcc/2^N) /S 1000 mg. Für ADXL335 (300 mV/G) mit 12-Bit-ADC bei 3,3 V ist die Auflösung = (3,3/4096) /0,300 * 1000 = 2,7 mg/LSB. Digitale Beschleunigungsmesser (LIS3DH, MPU6050) spezifizieren die Empfindlichkeit in LSB/g: 4000-16000 LSB/g im Bereich von +/-2 g bis +/-16 g pro STMicroelectronics. IEEE 1293 definiert Genauigkeitsspezifikationen für Beschleunigungsmesser, einschließlich Bias-Stabilität (0,1-10 mg), Skalierungsfaktor (0,1-1%) und Rauschdichte (25-300 ug/RTHz).

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Konfigurieren Sie einen digitalen Beschleunigungsmesser ADXL345 für die Überwachung von Maschinenvibrationen. Anforderungen: Erfassen Sie Schwingungen von 0,01 g bei 200 Hz und messen Sie Schockereignisse von bis zu 8 g.

Lösung:

Wählen Sie den Bereich +/-8 g: Empfindlichkeit = 3,9 mg/LSB (aus dem ADXL345-Datenblatt)
Geräuschdichte: 290 ug/RTHz bei einer Einstellung von +/-8 g
Bandbreite für 200-Hz-Vibration: Stellen Sie BW_RATE = 200 Hz ein (ODR = 400 Hz)
Grundrauschen: Rauschwert = 290 ug/RTHz sqrt (200 Hz 1,6) = 5,2 mg Effektivwert
SNR bei 0,01 g: SNR = 10 mg/5,2 mg = 1,9 (marginal, 5,6 dB)
Für ein besseres SNR wechseln Sie auf den Bereich +/-2 g: 256 LSB/g, Rauschen = 145 ug/RTHz
Neuer Geräuschpegel: 145 * sqrt (320) = 2,6 mg rms, SNR = 10/2,6 = 3,8 (11,6 dB)
Kompromiss: Der Bereich von +/- 2 g ist bei einem Schock von 2 g gesättigt, 8 g-Ereignisse werden übersehen
Lösung: Verwenden Sie +/- 2 g für die Schwingungsüberwachung und schalten Sie bei Schwellenwertauslösung auf +/-8 g um

Ergebnis: Verwenden Sie für Vibrationen einen Bereich von +/- 2 g (3,8 mg Grundrauschen, 2,6 SNR bei 10 mg); bei Schockereignissen einen automatischen Bereich von bis zu +/-8 g.

Praktische Tipps

✓Montieren Sie den Beschleunigungsmesser fest an der Struktur; jede PCB-Resonanz erscheint als Beschleunigung bei der Resonanzfrequenz; verwenden Sie Versteifungsrippen oder Vergussmasse, um die PCB-Resonanz über das Messband gemäß IEEE 1293 zu drücken
✓Verwenden Sie für die Neigungserfassung eine Bandbreite von 1—10 Hz (große Filterkappen); für die Schwingungsüberwachung verwenden Sie 100 Hz-1 kHz; für die Schockerkennung verwenden Sie die maximale Bandbreite ohne Filter gemäß ISO 16063-1-Vibrationskalibrierungsstandard
✓Kalibrieren Sie bei +/-1 g, indem Sie die Sensorachse durch die Schwerkraft drehen; die tatsächliche Empfindlichkeit und der Null-G-Offset weichen um +/- 10-15% vom Nennwert ab; die Zweipunktkalibrierung erreicht eine Genauigkeit von +/- 1% gemäß den Kalibrierungsverfahren des Herstellers

Häufige Fehler

✗Verwendung der Empfindlichkeitsspezifikation aufgrund falscher Versorgungsspannung: Die Empfindlichkeit des ADXL335 beträgt 270 mV/g bei 2 V, 300 mV/g bei 3 V, 330 mV/G bei 3,6 V; die Verwendung eines falschen Werts verursacht einen Messfehler von 10-20% gemäß Datenblatt von Analog Devices
✗Verwechselt +/-g Endwert mit Spitze-Spitze: +/-3g bedeutet Sättigung bei +3g und -3g (Gesamtspanne 6 g); der gesamte Spannungssprung beträgt 2 S FS_Range = 2 300 3 = 1800 mV für ADXL335
✗Ignorieren der Ausgangsfilterbandbreite: Der ungefilterte ADXL335 hat eine Bandbreite von 1,6 kHz und ein Rauschen von 300 uG/RTHz; fügen Sie Obergrenzen von 0,1 uF für eine 50-Hz-Bandbreite hinzu und geben Sie 5 mal weniger Rauschen gemäß den Filterempfehlungen im Datenblatt an

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen analogen und digitalen MEMS-Beschleunigungsmessern?

Analoge Beschleunigungsmesser (ADXL335, MMA7361) geben eine kontinuierliche Spannung aus und benötigen einen externen ADC; einfacher für einfache Designs, aber anfällig für analoges Rauschen. Digitale Beschleunigungsmesser (ADXL345, LIS3DH, MPU6050) enthalten einen internen Sigma-Delta-ADC und bieten einen I2C/SPI-Ausgang mit einer Auflösung von 10 bis 16 Bit. Sie enthalten konfigurierbare FIFO-Puffer (32-1024 Samples) und Interrupt-Ausgänge für die Bewegungserkennung. Digitale Typen kosten 1-5 $, analoge 2-4 $. Bei neuen Designs vereinfachen digitale Beschleunigungsmesser die Firmware und verbessern die Störfestigkeit gemäß STMicroelectronics-Anwendungshinweis AN3182.

Warum nimmt die Empfindlichkeit des MEMS-Beschleunigungsmessers in höheren G-Bereichen ab?

Die MEMS-geprüfte Massenverschiebung für eine bestimmte Beschleunigung muss innerhalb der Grenzen der mechanischen Struktur bleiben (typischerweise 1-10 µm). Bei einem größeren g-Bereich wird die elektrostatische Rückstellkraft erhöht (wodurch die µm/g-Verschiebung reduziert wird), wodurch die Ausgangsspannung pro g gesenkt wird. Ein Sensor mit +/- 2 g hat eine 8-mal höhere Empfindlichkeit als +/-16 g aus derselben Düse. Dies ist gemäß der Übersicht über die MEMS-Technologie von Analog Devices von grundlegender Bedeutung für das MEMS-Design. Wählen Sie den engsten Bereich, der eine Sättigung vermeidet, um die beste Auflösung zu erzielen.

Wie entferne ich den DC-Offset eines Beschleunigungsmessersignals?

Wenden Sie einen Hochpassfilter an, dessen Grenzwert unter den interessierenden Signalen liegt (0,1-2 Hz für Vibration). Subtrahieren Sie in der Firmware den gleitenden Durchschnitt (IIR: y [n] = 0,99*y [n-1] + 0,01*x [n]) oder verwenden Sie einen DC-blockierenden IIR-Filter (HPF erster Ordnung bei 0,5 Hz). Für die Neigungserfassung benötigen Sie eine DC-Reaktion. In diesem Fall kalibrieren und subtrahieren Sie den bekannten Null-G-Offset (typischerweise +/-60 mg für MEMS gemäß Analog Devices AN-1057). Eine Temperaturkalibrierung kann erforderlich sein, da der Offset um +/-0,5 mg/C abweicht.