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加速度計レンジと感度

感度とフルスケールレンジの仕様から加速度計出力電圧、ADC分解能、LSBあたりのmgを計算します。

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公式

V_out = V_ref/2 ± (S × a)

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

仕組み

加速度計は加速度を電気信号に変換します。アナログ MEMS 加速度計 (ADXL335 など) は、加速度に比例した電圧 (V_out = V_ref/2 + S × a) を出力します。ここで S は感度 (mV/g)、a は加速度 (g)、V_ref/2 はゼロ g 出力 (ミッドレール) です。感度Sはデータシートに記載されており、フルスケールの範囲によって異なります。範囲が広いほど感度は低くなります（gあたりのmVは少なくなります）。デジタル加速度計 (MPU-6050、LIS3DH など) は、設定可能なスケールファクターでデジタルカウントを出力します。mg/LSB単位の分解能は、ADCのビット深度と電源電圧によって異なります。NビットADCとV_CC電源の場合、LSBあたりの電圧はV_cc/2^n、LSBあたりの加速度は (V_cc/2^N × 1000) /S mgです。たとえば、S = 300 mV/g、12 ビット ADC、3.3 V 電源の ADXL335 は、3300/4096 = 0.806 mV/LSB、つまり 0.806/300 = 2.7 mg/LSB になります。帯域幅は出力ピンのRCフィルタによって設定されます。10μFのコンデンサは耐震用途で約0.5Hzの帯域幅を提供し、0.1μFのコンデンサは約50Hzの帯域幅を振動測定に使用します。

計算例

問題：ADXL335はS = 300 mV/g、フルスケール・レンジは±3 gで、3.3Vで給電され、10ビットのADCに供給されます。出力電圧が 1 g、分解能が mg/LSB 単位で求めます。
解決策:
1。ゼログラム出力: V= 3.3/2 = 1.65 V
2.1 g での出力: V_out = 1.65 + 0.300 × 1 = 1.95 V
3.ADC カウント = 2^10 = 1024; LSB あたりの電圧 = 3.3/1024 = 3.22 mV
4.LSB あたりの加速度 = 3.22 mV/300 mV/g = 0.01073 g = 10.7 mg/LSB
結果: 出力は 1 g で1.95 V で、ADC ステップあたりの分解能は 10.7 mg です。

実践的なヒント

  • ✓PCBを測定された構造にしっかりと取り付けた状態で加速度計を取り付けます。PCB自体の機械的共振は、共振周波数での加速度信号として現れます。
  • ✓傾き検知には1〜10 Hzの帯域幅（大きなフィルターキャップ）を使用し、振動監視には100 Hz〜1 kHzの帯域幅を使用し、衝撃検出にはフィルターなしで最大帯域幅を使用します。
  • ✓出力を±1 g（水平反転）で測定してキャリブレーションを行い、実際の感度とゼロgオフセットを決定します。どちらも公称仕様から±10〜15％の変動があります。

よくある間違い

  • ✗間違った電源電圧による感度仕様の使用 — ADXL335の感度は、V_ccに応じて270～330mV/gの範囲で変化するため、必ず使用する電源電圧に対応する感度を使用してください。
  • ✗±gフルスケール範囲とピーク・ツー・ピークを混同すると、±3gということは、センサーが+3gと−3gで飽和し、6gのピーク・トゥ・ピークとなり、フルスケールの電圧振幅は2×S × FS_Rangeになります。
  • ✗出力フィルタ帯域幅を無視して、フィルタコンデンサを切り離したままにしておくと、帯域幅が最大になり（ADXL335では約1.6 kHz）、ノイズが高くなるため、アプリケーションの帯域幅に合わせて推奨コンデンサを追加してください。

よくある質問

アナログ加速度計は加速度に比例した連続電圧を出力するため、外部 ADC が必要です。デジタル加速度計 (I²C または SPI 出力) には ADC が内蔵されており、デジタルカウントが直接行われるため、ファームウェアが簡素化され、PCB トレースからのアナログノイズが回避されます。デジタルタイプには、多くの場合、設定可能なフルスケールレンジ、FIFO バッファ、および割り込み出力が含まれます。
特定の加速度におけるMEMS耐質量変位は、機械構造の物理的範囲内にとどまる必要があります。g 範囲が広くなると、静電復元力が大きくなり (g あたりの変位が減少)、g あたりの出力電圧が下がります。±2 g センサーは感度が高くなりますが、±16 g センサーよりも低い加速度で飽和します。
対象となる信号よりも低いカットオフ周波数のハイパスフィルターを適用します (たとえば、振動の場合は 0.5～2 Hz)。ファームウェアでは、移動平均を引くか、DC ブロッキング IIR フィルターを使用してください。傾きを検知するには DC を維持する必要があります。その場合は、代わりに既知のゼロ g オフセットをキャリブレーションして減算してください。

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