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Sensor

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.

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Fórmula

Vout=Vref/2±(S×a)V_out = V_ref/2 ± (S × a)
S— Sensibilidad (mV/g)
a— Aceleración (g)

Cómo Funciona

Esta calculadora convierte las especificaciones de sensibilidad del acelerómetro en resolución y voltaje de salida, algo esencial para los ingenieros de análisis de vibraciones, los diseñadores de navegación inercial y los desarrolladores de sensores de movimiento de IoT. La tensión de salida de los acelerómetros MEMS o los recuentos digitales son proporcionales a la aceleración: Vout = Vref/2 + S a, donde S es la sensibilidad en mV/g y a es la aceleración. Los MEMS analógicos (ADXL335, MMA7361) proporcionan una sensibilidad de 200 a 800 mV/g con un rango de escala completa de +/-1,5 a +/-16 g según las hojas de datos de Analog Devices y NXP. La sensibilidad aumenta inversamente con el rango: los rangos más amplios tienen menos mV/g (la masa de prueba se desvía menos por g). La resolución en mg/lsB depende de los bits del ADC y del suministro: resolución = (Vcc/2^N) /S 1000 mg. Para el ADXL335 (300 mV/g) con ADC de 12 bits a 3,3 V, la resolución = (3,3/4096) /0,300 * 1000 = 2,7 mg/lsB. Los acelerómetros digitales (LIS3DH, MPU6050) especifican la sensibilidad en LSb/g: 4000-16000 LSB/g en un rango de +/-2 g a +/-16 g por STMicroelectronics. El IEEE 1293 define las especificaciones de precisión de los acelerómetros, incluyendo la estabilidad de polarización (0,1-10 mg), el factor de escala (0,1-1%) y la densidad de ruido (25-300 ug/RTHz).

Ejemplo Resuelto

Problema: configure un acelerómetro digital ADXL345 para monitorear las vibraciones de la máquina. Requisitos: detectar vibraciones de 0,01 g a 200 Hz y medir impactos de hasta 8 g.

Solución:

  1. Seleccione un rango de +/-8 g: sensibilidad = 3,9 mg/lsB (de la hoja de datos ADXL345)
  2. Densidad de ruido: 290 ug/RTHz con un ajuste de +/-8 g
  3. Ancho de banda para vibraciones de 200 Hz: ajuste BW_RATE = 200 Hz (ODR = 400 Hz)
  4. Nivel de ruido: noise_rms = 290 ug/RTHz sqrt (200 Hz 1,6) = 5,2 mg rms
  5. SNR a 0,01 g: SNR = 10 mg/5,2 mg = 1,9 (marginal, 5,6 dB)
  6. Para una mejor SNR, cambia a un rango de +/- 2 g: 256 LSB/g, ruido = 145 ug/RTHz
  7. Nuevo nivel de ruido: 145 * sqrt (320) = 2,6 mg rms, SNR = 10/2,6 = 3,8 (11,6 dB)
  8. Compensación: el rango de +/- 2 g se satura con un choque de 2 g, se pierde los eventos de 8 g
  9. Solución: utilice +/-2 g para controlar las vibraciones, cambie a +/-8 g cuando se active el umbral
Resultado: utilice un rango de +/- 2 g (nivel de ruido mínimo de 3,8 mg, SNR de 2,6 a 10 mg) para las vibraciones; un rango automático de +/- 8 g para situaciones de choque.

Consejos Prácticos

  • ✓Monte el acelerómetro de forma rígida en la estructura; cualquier resonancia de la PCB aparece como una aceleración a la frecuencia de resonancia; utilice nervaduras rígidas o un compuesto de encapsulado para impulsar la resonancia de la PCB por encima de la banda de medición según la norma IEEE 1293
  • ✓Para la detección de inclinación, utilice un ancho de banda de 1 a 10 Hz (tapas de filtro grandes); para la monitorización de vibraciones, utilice 100 Hz-1 kHz; para la detección de choques, utilice un ancho de banda máximo sin filtro según la norma de calibración de vibraciones ISO 16063-1
  • ✓Calibre a +/- 1 g girando el eje del sensor según la gravedad; la sensibilidad real y la compensación de cero g varían entre un 10 y un 15% con respecto a la nominal; la calibración de dos puntos alcanza una precisión de +/- 1% según los procedimientos de calibración del fabricante

Errores Comunes

  • ✗Uso de una especificación de sensibilidad por una tensión de alimentación incorrecta: la sensibilidad del ADXL335 es de 270 mV/g a 2 V, 300 mV/g a 3 V, 330 mV/g a 3,6 V; el uso de un valor incorrecto provoca un error de medición del 10 al 20% según la hoja de datos de Analog Devices
  • ✗Confundir +/-g a escala completa con pico a pico: +/-3 g significa saturación a +3 g y -3 g (intervalo total de 6 g); la oscilación de voltaje a gran escala es de 2 S FS_Range = 2 300 3 = 1800 mV para el ADXL335
  • ✗Ignorando el ancho de banda del filtro de salida: el ADXL335 sin filtrar tiene un ancho de banda de 1,6 kHz y un ruido de 300 ug/RTHz; añada límites de 0,1 uF para un ancho de banda de 50 Hz y 5 veces menos ruido según las recomendaciones de filtro de la hoja de datos

Preguntas Frecuentes

Los acelerómetros analógicos (ADXL335, MMA7361) emiten voltaje continuo y requieren un ADC externo; son más simples para los diseños básicos pero susceptibles al ruido analógico. Los acelerómetros digitales (ADXL345, LIS3DH, MPU6050) contienen ADC sigma-delta interno y proporcionan una salida I2C/SPI con una resolución de 10 a 16 bits; incluyen búferes FIFO configurables a escala completa (32 a 1024 muestras) y salidas de interrupción para la detección de movimiento. Los tipos digitales cuestan entre 1 y 5 dólares y los analógicos entre 2 y 4 dólares. Para los diseños nuevos, los acelerómetros digitales simplifican el firmware y mejoran la inmunidad al ruido, según la nota de aplicación AN3182 de STMicroelectronics.
El desplazamiento de masa a prueba de MEMS para una aceleración determinada debe mantenerse dentro de los límites de la estructura mecánica (normalmente de 1 a 10 um). Para un rango g más amplio, la fuerza de restauración electrostática aumenta (lo que reduce el desplazamiento um/g), lo que reduce la salida de tensión por g. Un sensor de +/- 2 g tiene una sensibilidad 8 veces mayor que la de +/- 16 g con la misma matriz. Esto es fundamental para el diseño de MEMS según la descripción general de la tecnología MEMS de Analog Devices. Seleccione el rango más estrecho que evite la saturación para obtener la mejor resolución.
Aplique un filtro de paso alto con un punto de corte por debajo de las señales de interés (0,1-2 Hz para vibraciones). En el firmware, reste la media móvil (IIR: y [n] = 0,99*y [n-1] + 0,01*x [n]) o utilice un filtro IIR que bloquee la corriente continua (HPF de primer orden a 0,5 Hz). Para la detección de inclinación, necesita una respuesta de corriente continua; en ese caso, calibre y reste la compensación conocida de cero g (normalmente +/- 60 mg para MEMS según el AN-1057 de Analog Devices). Es posible que sea necesario calibrar la temperatura, ya que la desviación oscila entre +/-0,5 mg/C.

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