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Faixa e Sensibilidade do Acelerômetro

Calcula tensão de saída do acelerômetro, resolução ADC e mg por LSB a partir das especificações de sensibilidade e faixa.

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Fórmula

V_out = V_ref/2 ± (S × a)

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

Como Funciona

Um acelerômetro converte a aceleração em um sinal elétrico. Os acelerômetros MEMS analógicos (por exemplo, ADXL335) emitem uma tensão proporcional à aceleração: V_out = V_ref/2 + S × a, onde S é a sensibilidade em mV/g, a é aceleração em g e V_ref/2 é a saída zero-g (trilho médio). A sensibilidade S vem da folha de dados e depende da faixa em grande escala: faixas maiores têm menor sensibilidade (menos mV por g). Os acelerômetros digitais (por exemplo, MPU-6050, LIS3DH) emitem contas digitais com um fator de escala configurável. A resolução em mg/LSb depende da profundidade de bits do ADC e da tensão de alimentação: com ADC de n bits e alimentação V_cc, a tensão por LSB é V_cc/2^n e a aceleração por LSB é (V_cc/2^n × 1000) /S mg. Por exemplo, ADXL335 com S = 300 mV/g, ADC de 12 bits, alimentação de 3,3 V fornece 3300/4096 = 0,806 mV/lSb ou 0,806/300 = 2,7 mg/LSb. A largura de banda é definida pelo filtro RC nos pinos de saída; um capacitor de 10 μF fornece largura de banda de ~ 0,5 Hz para aplicações sísmicas, enquanto 0,1 μF fornece ~ 50 Hz para medição de vibração.

Exemplo Resolvido

Problema: O ADXL335 tem S = 300 mV/g e uma faixa completa de ±3 g. Ele é alimentado a 3,3 V e alimentado em um ADC de 10 bits. Encontre a tensão de saída em 1 g e a resolução em mg/LSb.
Solução:
1. Saída zero g: V= 3,3/2 = 1,65 V
2. Saída a 1 g: V_out = 1,65 + 0,300 × 1 = 1,95 V
3. Contagens de ADC = 2^10 = 1024; tensão por LSB = 3,3/1024 = 3,22 mV
4. Aceleração por LSB = 3,22 mV/300 mV/g = 0,01073 g = 10,7 mg/LSB
Resultado: a saída é de 1,95 V a 1 g com resolução de 10,7 mg por etapa do ADC.

Dicas Práticas

  • ✓Monte o acelerômetro com o PCB rigidamente conectado à estrutura medida - qualquer ressonância mecânica do próprio PCB aparecerá como sinal de aceleração na frequência de ressonância.
  • ✓Para detecção de inclinação, use largura de banda de 1—10 Hz (tampa de filtro grande); para monitoramento de vibração, use largura de banda de 100 Hz—1 kHz; para detecção de choque, use largura de banda máxima sem filtro.
  • ✓Calibre medindo a saída em ± 1 g (inversão horizontal) para determinar a sensibilidade real e o deslocamento de zero g — ambos variam de ± 10 a 15% da especificação nominal.

Erros Comuns

  • ✗Usando a especificação de sensibilidade da tensão de alimentação errada — a sensibilidade do ADXL335 varia de 270 a 330 mV/g, dependendo de V_cc; sempre use a sensibilidade correspondente à sua tensão de alimentação.
  • ✗Confundir ± g de faixa completa com pico a pico — ± 3 g significa que o sensor satura em +3 g e −3 g, fornecendo 6 g de pico a pico; a variação de tensão em grande escala é 2 × S × FS_range.
  • ✗Ignorar a largura de banda do filtro de saída — deixar o capacitor do filtro desconectado resulta em largura de banda máxima (~ 1,6 kHz para ADXL335) e alto nível de ruído; adicione o capacitor recomendado para a largura de banda da sua aplicação.

Perguntas Frequentes

Os acelerômetros analógicos emitem uma tensão contínua proporcional à aceleração e requerem um ADC externo. Os acelerômetros digitais (saída I²C ou SPI) contêm um ADC interno e fornecem contagens digitais diretamente, o que simplifica o firmware e evita ruídos analógicos de traços de PCB. Os tipos digitais geralmente incluem faixas configuráveis em grande escala, buffers FIFO e saídas de interrupção.
O deslocamento de massa da prova de MEMS para uma determinada aceleração deve permanecer dentro da faixa física da estrutura mecânica. Para uma faixa g mais ampla, a força de restauração eletrostática é aumentada (reduzindo o deslocamento por g), o que diminui a saída de tensão por g. Um sensor de ±2 g é mais sensível, mas satura em acelerações mais baixas do que um sensor de ±16 g.
Aplique um filtro passa-alto com uma frequência de corte abaixo dos sinais de interesse (por exemplo, 0,5—2 Hz para vibração). No firmware, subtraia a média móvel ou use um filtro IIR de bloqueio DC. Para o sensor de inclinação, você precisa preservar a DC; nesse caso, calibre e subtraia o deslocamento zero g conhecido.

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