Sensor

가속도계 범위 및 감도

감도 및 전체 범위 사양으로부터 가속도계 출력 전압, ADC 분해능 및 LSB당 mg를 계산합니다.

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공식

V_out = V_ref/2 ± (S × a)

S— 민감도 (mV/g)

a— 액셀러레이션 (g)

작동 방식

이 계산기는 가속도계 감도 사양을 진동 분석 엔지니어, 관성 항법 설계자 및 IoT 모션 감지 개발자에게 필수적인 분해능 및 출력 전압으로 변환합니다.MEMS 가속도계는 가속도에 비례하는 출력 전압 또는 디지털 카운트: Vout = Vref/2 + S a, 여기서 S는 mV/g 단위의 감도이고 a는 가속도입니다.아날로그 MEMS (ADXL335, MMA7361) 는 아날로그 디바이스 및 NXP 데이터시트당 전체 범위 +/-1.5 ~ +/-16g의 200-800mV/g 감도를 제공합니다.감도는 범위에 반비례하여 조정됩니다. 범위가 넓을수록 mV/g가 낮아집니다 (증명 질량은 g당 편향이 적음).분해능 (단위: mg/LSB) 은 ADC 비트 및 공급량에 따라 달라집니다. 분해능은 (Vcc/2^N) /S 1000 mg입니다.3.3V에서 12비트 ADC를 사용하는 ADXL335 (300mV/g) 의 경우 해상도는 (3.3/4096) /0.300* 1000 = 2.7mg/LSB입니다.디지털 가속도계 (LIS3DH, MPU6050) 는 감도를 LSB/g 단위로 지정합니다. ST 마이크로일렉트로닉스의 경우 +/-2g에서 +/-16g 범위에서 4000-16000 lSb/g입니다.IEEE 1293은 바이어스 안정성 (0.1-10mg), 스케일 팩터 (0.1-1%) 및 노이즈 밀도 (25-300ug/RTHz) 를 비롯한 가속도계 정확도 사양을 정의합니다.

계산 예제

문제: 기계 진동 모니터링을 위한 ADXL345 디지털 가속도계를 구성하십시오.요구 사항: 200Hz에서 0.01g의 진동을 감지하고 최대 8g의 충격 이벤트를 측정합니다.

해결 방법: 1.+/-8g 범위 선택: 감도 = 3.9 mg/LSB (ADXL345 데이터시트에서 발췌) 2.소음 밀도: +/-8g 설정에서 290ug/RTHz 3.200헤르츠 진동을 위한 대역폭: BW_RATE를 200Hz (ODR = 400Hz) 로 설정합니다. 4.노이즈 플로어: noise_rms = 290 ug/RTHz sqrt (200 Hz 1.6) = 5.2 mg rms 5.0.01g에서의 SNR: SNR = 10 mg/5.2 mg = 1.9 (한계, 5.6dB) 6.SNR을 개선하려면 +/-2g 범위: 256lSb/g, 소음 = 145ug/RTHz 범위로 전환하세요. 7.신규 노이즈 플로어: 145* 제곱 (320) = 2.6 mg rms, SNR = 10/2.6 = 3.8 (11.6 데시벨) 8.단점: +/-2g 범위는 2g 충격 시 포화, 8g 이벤트는 놓칠 수 있음 9.해결책: 진동 모니터링에는 +/-2g를 사용하고 임계값 트리거 시 +/-8g로 전환하십시오.

결과: 진동에는 +/-2g 범위 (최저 소음 3.8mg, 10mg에서 2.6 SNR) 를 사용하고, 충격 이벤트의 경우 자동 범위를 +/-8g로 설정합니다.

실용적인 팁

✓가속도계를 구조물에 단단히 장착하십시오. 모든 PCB 공진은 공진 주파수에서 가속으로 나타납니다. IEEE 1293에 따라 PCB 공진을 측정 대역 이상으로 밀어내려면 스티프닝 리브나 포팅 컴파운드를 사용하십시오.
✓기울기 감지의 경우 1~10Hz 대역폭 (대형 필터 캡) 을 사용하고, 진동 모니터링의 경우 100Hz-1kHz를 사용하고, 충격 감지의 경우 ISO 16063-1 진동 교정 표준에 따라 필터 없이 최대 대역폭을 사용합니다.
✓중력을 통해 센서 축을 회전시켜 +/-1g로 교정합니다. 실제 감도 및 영점 오프셋은 공칭 값과 +/ -10-15% 차이가 납니다. 2포인트 교정은 제조업체 교정 절차당 +/ -1% 의 정확도를 달성합니다.

흔한 실수

✗잘못된 공급 전압으로 인한 감도 사양 사용: ADXL335 감도는 2V에서 270mV/g, 3V에서 300mV/g, 3.6V에서 330mV/g입니다. 잘못된 값을 사용하면 아날로그 디바이스 데이터시트에 따라 10-20% 의 측정 오류가 발생합니다.
✗풀 스케일 +/-g와 피크 투 피크 간 혼동: +/-3g는 +3g (총 스팬 6g) 에서의 포화 상태를 의미하며, 풀 스케일 전압 스윙은 2* S* FS_범위 = 2* 300 * 3 = ADXL335 기준 1800mV
✗출력 필터 대역폭 무시: 필터링되지 않은 ADXL335 제품은 1.6kHz 대역폭과 300ug/RTHz 노이즈를 제공합니다. 50Hz 대역폭에 0.1uF 캡을 추가하고 데이터시트당 노이즈 5배 낮은 권장 사항을 제공합니다.

자주 묻는 질문

아날로그와 디지털 MEMS 가속도계의 차이점은 무엇입니까?

아날로그 가속도계 (ADXL335, MMA7361) 는 연속 전압을 출력하며 외부 ADC가 필요합니다. 기본 설계에는 더 단순하지만 아날로그 노이즈에 취약합니다.디지털 가속도계 (ADXL345, LIS3DH, MPU6050) 에는 내부 시그마-델타 ADC가 포함되어 있으며 10-16비트 해상도의 I2C/SPI 출력을 제공합니다. 여기에는 구성 가능한 풀 스케일, FIFO 버퍼 (32-1024 샘플) 및 동작 감지를 위한 인터럽트 출력이 포함됩니다.디지털 유형은 1~5달러, 아날로그 유형은 2~4달러입니다.ST 마이크로일렉트로닉스 애플리케이션 노트 AN3182 에 따르면 새로운 설계의 경우 디지털 가속도계는 펌웨어를 단순화하고 노이즈 내성을 개선합니다.

높은 g 범위에서 MEMS 가속도계 감도가 감소하는 이유는 무엇입니까?

주어진 가속도에 대한 MEMS 증명 질량 변위는 기계적 구조 한계 (일반적으로 1-10um) 내에 있어야 합니다.g 범위가 넓으면 정전기 복원력이 증가하여 (um/g 변위 감소) g당 전압 출력이 낮아집니다. +/-2g 센서는 동일한 다이의 +/-16g보다 감도가 8배 더 높습니다.이는 아날로그 디바이스 MEMS 기술 개요에 따른 MEMS 설계의 기본 요소입니다.최상의 해상도를 위해 채도를 방지하는 가장 좁은 범위를 선택하십시오.

가속도계 신호에서 DC 오프셋을 제거하려면 어떻게 해야 합니까?

관심 신호 (진동의 경우 0.1-2Hz) 보다 낮은 컷오프가 있는 하이패스 필터를 적용합니다.펌웨어에서는 이동 평균 (IIR: y [n] = 0.99*y [n-1] + 0.01*x [n]) 을 빼거나 DC 블로킹 IIR 필터 (0.5Hz에서의 1차 HPF) 를 사용하십시오.기울기 감지를 위해서는 DC 응답이 필요합니다. 이 경우 알려진 제로 g 오프셋 (아날로그 디바이스 AN-1057 당 MEMS의 경우 일반적으로 +/-60 mg) 을 보정하고 빼십시오.오프셋 드리프트가 +/-0.5 mg/C이므로 온도 교정이 필요할 수 있습니다.