Rango y Sensibilidad de Acelerómetro
Calcula el voltaje de salida del acelerómetro, resolución ADC y mg por LSB a partir de las especificaciones de sensibilidad y rango.
Fórmula
V_out = V_ref/2 ± (S × a)
Cómo Funciona
Un acelerómetro convierte la aceleración en una señal eléctrica. Los acelerómetros MEMS analógicos (por ejemplo, el ADXL335) emiten una tensión proporcional a la aceleración: V_out = v_Ref/2 + S × a, donde S es la sensibilidad en mV/g, a es la aceleración en g y V_ref/2 es la salida sin g (carril intermedio). La sensibilidad S proviene de la hoja de datos y depende del rango de escala total: los rangos más amplios tienen una sensibilidad más baja (menos mV por g). Los acelerómetros digitales (por ejemplo, MPU-6050, LIS3DH) emiten recuentos digitales con un factor de escala configurable. La resolución en mg/LSB depende de la profundidad de bits del ADC y de la tensión de alimentación: con una alimentación ADC y V_cc de N bits, la tensión por LSB es V_cc/2^n y la aceleración por LSB es (V_cc/2^N × 1000) /S mg. Por ejemplo, el ADXL335 con alimentación S = 300 mV/G, ADC de 12 bits y 3,3 V proporciona 3300/4096 = 0,806 mV/LSB o 0,806/300 = 2,7 mg/LSB. El ancho de banda lo establece el filtro RC de los pines de salida; un condensador de 10 μF proporciona un ancho de banda de aproximadamente 0,5 Hz para aplicaciones sísmicas, mientras que 0,1 μF proporciona ~ 50 Hz para la medición de vibraciones.
Ejemplo Resuelto
Problema: El ADXL335 tiene S = 300 mV/g y un rango de escala completa de ± 3 g. Se alimenta a 3,3 V y se alimenta a un ADC de 10 bits. Calcule la tensión de salida en 1 g y la resolución en mg/lsB. Solución: 1. Salida cero G: V = 3,3/2 = 1,65 V 2. Salida a 1 g: V_out = 1,65 + 0,300 × 1 = 1,95 V 3. Recuentos de ADC = 2^10 = 1024; voltaje por LSB = 3,3/1024 = 3,22 mV 4. Aceleración por LSB = 3,22 mV/300 mV/g = 0,01073 g = 10,7 mg/LSB Resultado: la salida es de 1,95 V a 1 g con una resolución de 10,7 mg por paso de ADC.
Consejos Prácticos
- ✓Monte el acelerómetro con la PCB unida rígidamente a la estructura medida; cualquier resonancia mecánica de la propia PCB aparecerá como señal de aceleración a la frecuencia de resonancia.
- ✓Para la detección de inclinación, utilice un ancho de banda de 1 a 10 Hz (tapa de filtro grande); para la monitorización de vibraciones, utilice un ancho de banda de 100 Hz a 1 kHz; para la detección de choques, utilice un ancho de banda máximo sin filtro.
- ✓Realice la calibración midiendo la salida a ±1 g (giro horizontal) para determinar la sensibilidad real y la compensación de cero g; ambas varían entre un 10 y un 15% con respecto a la especificación nominal.
Errores Comunes
- ✗Uso de la especificación de sensibilidad de una tensión de alimentación incorrecta: la sensibilidad del ADXL335 varía de 270 a 330 mV/g según V_cc; utilice siempre la sensibilidad correspondiente a la tensión de alimentación.
- ✗Confundir el rango de escala completa de ±g con el de pico a pico: ±3 g significa que el sensor se satura a +3 g y −3 g, lo que da 6 g de pico a pico; la oscilación de voltaje a gran escala es de 2 × S × FS_Range.
- ✗Ignorar el ancho de banda del filtro de salida: dejar el condensador del filtro desconectado da como resultado un ancho de banda máximo (~1,6 kHz para el ADXL335) y un alto nivel de ruido; añada el condensador recomendado para el ancho de banda de la aplicación.
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre los acelerómetros MEMS analógicos y digitales?
Los acelerómetros analógicos emiten una tensión continua proporcional a la aceleración y requieren un ADC externo. Los acelerómetros digitales (salida I²C o SPI) contienen un ADC interno y proporcionan conteos digitales directamente, lo que simplifica el firmware y evita el ruido analógico de las pistas de PCB. Los tipos digitales suelen incluir rangos configurables a gran escala, búferes FIFO y salidas de interrupción.
¿Por qué la sensibilidad del acelerómetro MEMS disminuye en rangos g más altos?
El desplazamiento de masa a prueba de MEMS para una aceleración determinada debe permanecer dentro del rango físico de la estructura mecánica. Para un rango g más amplio, la fuerza de restauración electrostática aumenta (lo que reduce el desplazamiento por g), lo que reduce la tensión de salida por g. Un sensor de ±2 g es más sensible, pero se satura a aceleraciones más bajas que un sensor de ±16 g.
¿Cómo elimino el desfase de corriente continua de una señal de acelerómetro?
Aplique un filtro de paso alto con una frecuencia de corte inferior a las señales de interés (por ejemplo, de 0,5 a 2 Hz para vibraciones). En el firmware, reste la media móvil o utilice un filtro IIR que bloquee la corriente continua. Para detectar la inclinación, debes conservar la corriente continua; en ese caso, calibra y resta el conocido desfase cero g.
Related Calculators
Sensor
Hall Effect Sensor
Calculate Hall voltage, Hall coefficient, and sensitivity for Hall effect sensors. Useful for magnetic field measurement, current sensing, and position detection.
Sensor
Sensor Accuracy
Calculate total sensor system accuracy using RSS and worst-case methods from offset, gain, nonlinearity, resolution, and temperature drift errors.
Sensor
Strain Gauge Bridge
Calculate Wheatstone bridge output voltage for strain gauges. Supports quarter, half, and full bridge configurations for structural monitoring and load cell design.
Sensor
NTC Thermistor
Calculate temperature from NTC thermistor resistance using the Steinhart-Hart beta equation. Useful for PT100/PT1000 and generic NTC thermistors.
Sensor
RTD Temperature
Calculate temperature from PT100 or PT1000 RTD (Resistance Temperature Detector) measured resistance using the linear Callendar-Van Dusen approximation.
Sensor
Wheatstone Bridge
Calculate Wheatstone bridge output voltage, balance condition, and sensitivity. Used for strain gauges, RTDs, and precision resistance measurements.