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Sensor

Portée et sensibilité de l'accéléromètre

Calculez la tension de sortie de l'accéléromètre, la résolution de l'ADC en mg par LSB et la plage complète. Concevez des interfaces de capteurs de vibrations et de mouvements MEMS.

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Formule

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

Comment ça marche

Ce calculateur convertit les spécifications de sensibilité de l'accéléromètre en résolution et en tension de sortie, ce qui est essentiel pour les ingénieurs en analyse des vibrations, les concepteurs de navigation inertielle et les développeurs de capteurs de mouvement IoT. Tension de sortie des accéléromètres MEMS ou comptes numériques proportionnels à l'accélération : Vout = Vref/2 + S a, où S est la sensibilité en mV/g et a est l'accélération. Les MEMS analogiques (ADXL335, MMA7361) offrent une sensibilité de 200 à 800 mV/g avec une plage pleine échelle de +/- 1,5 à +/- 16 g selon les fiches techniques Analog Devices et NXP. La sensibilité varie en sens inverse de la plage : les plages les plus larges ont des mV/g plus faibles (la masse d'épreuve fléchit moins par g). La résolution en mg/LSB dépend des bits ADC et de l'alimentation : résolution = (Vcc/2^N) /S 1000 mg. Pour l'ADXL335 (300 mV/g) avec ADC 12 bits à 3,3 V, résolution = (3,3/4096) /0,300 * 1000 = 2,7 mg/LSB. Les accéléromètres numériques (LIS3DH, MPU6050) spécifient la sensibilité en LSB/g : 4000-16000 lSB/g dans une plage de +/- 2 g à +/- 16 g selon STMicroelectronics. La norme IEEE 1293 définit les spécifications de précision des accéléromètres, notamment la stabilité du biais (0,1 à 10 mg), le facteur d'échelle (0,1 à 1 %) et la densité de bruit (25 à 300 ug/RTHz).

Exemple Résolu

Problème : configurez un accéléromètre numérique ADXL345 pour la surveillance des vibrations de la machine. Exigences : détecter des vibrations de 0,01 g à 200 Hz, mesurer jusqu'à 8 g de chocs.

Solution :

  1. Sélectionnez une plage de +/- 8 g : sensibilité = 3,9 mg/LSB (extrait de la fiche technique ADXL345)
  2. Densité sonore : 290 ug/RTHz à un réglage de +/- 8 g
  3. Bande passante pour des vibrations à 200 Hz : réglez BW_RATE = 200 Hz (ODR = 400 Hz)
  4. Bruit de fond : noise_rms = 290 ug/RTHz sqrt (200 Hz 1,6) = 5,2 mg rms
  5. SNR à 0,01 g : SNR = 10 mg/5,2 mg = 1,9 (marginal, 5,6 dB)
  6. Pour un meilleur SNR, passez à une plage de +/- 2 g : 256 lSB/g, bruit = 145 ug/RTHz
  7. Nouveau niveau sonore : 145 * sqrt (320) = 2,6 mg rms, SNR = 10/2,6 = 3,8 (11,6 dB)
  8. Compromis : la gamme +/- 2 g sature à 2 g de choc, rate les événements de 8 g
  9. Solution : utilisez +/- 2 g pour la surveillance des vibrations, passez à +/- 8 g lors du déclenchement du seuil

Résultat : utilisez une plage de +/- 2 g (bruit de fond de 3,8 mg, rapport signal/bruit de 2,6 à 10 mg) pour les vibrations ; plage automatique de +/- 8 g pour les chocs.

Conseils Pratiques

  • ✓Montez l'accéléromètre de manière rigide sur la structure ; toute résonance du PCB apparaît comme une accélération à la fréquence de résonance ; utilisez des nervures de renforcement ou un composé d'enrobage pour pousser la résonance du PCB au-dessus de la bande de mesure conformément à la norme IEEE 1293
  • ✓Pour la détection de l'inclinaison, utilisez une bande passante de 1 à 10 Hz (grands capuchons de filtre) ; pour la surveillance des vibrations, utilisez 100 Hz-1 kHz ; pour la détection des chocs, utilisez une bande passante maximale sans filtre conformément à la norme d'étalonnage des vibrations ISO 16063-1
  • ✓Étalonnez à +/- 1 g en faisant pivoter l'axe du capteur par gravité ; la sensibilité réelle et le décalage zéro g varient de +/- 10 à 15 % par rapport à la valeur nominale ; l'étalonnage en deux points atteint une précision de +/ -1 % selon les procédures d'étalonnage du fabricant

Erreurs Fréquentes

  • ✗Utilisation d'une spécification de sensibilité provenant d'une tension d'alimentation incorrecte : la sensibilité de l'ADXL335 est de 270 mV/g à 2 V, 300 mV/g à 3 V, 330 mV/g à 3,6 V ; l'utilisation d'une valeur incorrecte entraîne une erreur de mesure de 10 à 20 %, selon la fiche technique d'Analog Devices
  • ✗Confondre +/- g pleine échelle et crête à crête : +/- 3g signifie une saturation à +3 g et -3 g (plage totale de 6 g) ; l'écart de tension à pleine échelle est de 2 S FS_range = 2 300 3 = 1800 mV pour l'ADXL335
  • ✗Ignorer la bande passante du filtre de sortie : l'ADXL335 non filtré possède une bande passante de 1,6 kHz et un bruit de 300 ug/RTHz ; ajoutez des limites de 0,1 uF pour une bande passante de 50 Hz et un bruit 5 fois inférieur selon les recommandations de filtre de la fiche technique

Foire Aux Questions

Les accéléromètres analogiques (ADXL335, MMA7361) émettent une tension continue et nécessitent un ADC externe ; plus simple pour les conceptions de base mais sensibles au bruit analogique. Les accéléromètres numériques (ADXL345, LIS3DH, MPU6050) contiennent un ADC sigma-delta interne et fournissent une sortie I2C/SPI avec une résolution de 10 à 16 bits ; ils incluent des buffers FIFO configurables à pleine échelle (32 à 1024 échantillons) et des sorties d'interruption pour la détection de mouvement. Les types numériques coûtent entre 1 et 5 dollars, les modèles analogiques entre 2 et 4 dollars. Pour les nouvelles conceptions, les accéléromètres numériques simplifient le microprogramme et améliorent l'immunité au bruit, conformément à la note d'application AN3182 de STMicroelectronics.
Le déplacement de masse résistant aux MEMS pour une accélération donnée doit rester dans les limites de la structure mécanique (généralement 1 à 10 µm). Pour une plage g plus large, la force de rappel électrostatique est augmentée (réduction du déplacement um/g), ce qui réduit la tension de sortie par g. Un capteur de +/- 2 g a une sensibilité 8 fois supérieure à celle de +/- 16 g provenant de la même puce. Ceci est fondamental pour la conception des MEMS selon la présentation de la technologie MEMS d'Analog Devices. Sélectionnez la plage la plus étroite qui évite la saturation pour une résolution optimale.
Appliquez un filtre passe-haut avec une coupure en dessous des signaux d'intérêt (0,1 à 2 Hz pour les vibrations). Dans le firmware, soustrayez la moyenne mobile (IIR : y [n] = 0,99*y [n-1] + 0,01*x [n]) ou utilisez un filtre IIR bloquant le courant continu (HPF du premier ordre à 0,5 Hz). Pour la détection de l'inclinaison, vous avez besoin d'une réponse en courant continu ; dans ce cas, étalonnez et soustrayez le décalage zéro g connu (généralement +/- 60 mg pour les MEMS selon les appareils analogiques AN-1057). Un étalonnage de la température peut être nécessaire car le décalage varie de +/- 0,5 mg/C.

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