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Sensor

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

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

Como Funciona

Essa calculadora converte as especificações de sensibilidade do acelerômetro em resolução e tensão de saída, essenciais para engenheiros de análise de vibração, designers de navegação inercial e desenvolvedores de sensores de movimento da IoT. Tensão de saída dos acelerômetros MEMS ou contagens digitais proporcionais à aceleração: Vout = Vref/2 + S a, onde S é sensibilidade em mV/g e a é aceleração. MEMS analógicos (ADXL335, MMA7361) fornecem sensibilidade de 200-800 mV/g com faixa de escala completa de +/- 1,5 a +/- 16 g por dispositivos analógicos e folhas de dados NXP. A sensibilidade varia inversamente com a faixa: faixas mais amplas têm menor mV/g (a massa de prova desvia menos por g). A resolução em mg/LSb depende dos bits ADC e da fonte: resolução = (Vcc/2^N) /S 1000 mg. Para ADXL335 (300 mV/g) com ADC de 12 bits a 3,3 V, resolução = (3,3/4096) /0,300 * 1000 = 2,7 mg/LSb. Os acelerômetros digitais (LIS3DH, MPU6050) especificam a sensibilidade em LSB/g: 4000-16000 LSB/g na faixa de +/- 2g a +/- 16g por STMicroelectronics. O IEEE 1293 define as especificações de precisão do acelerômetro, incluindo estabilidade de polarização (0,1-10 mg), fator de escala (0,1-1%) e densidade de ruído (25-300 ug/RTHz).

Exemplo Resolvido

Problema: configure um acelerômetro digital ADXL345 para monitoramento da vibração da máquina. Requisitos: detectar vibrações de 0,01 g a 200 Hz, medir até 8 g de eventos de choque.

Solução:

  1. Selecione a faixa de +/- 8g: sensibilidade = 3,9 mg/lSb (da folha de dados ADXL345)
  2. Densidade de ruído: 290 ug/RTHz na configuração de +/- 8g
  3. Largura de banda para vibração de 200 Hz: defina BW_RATE = 200 Hz (ODR = 400 Hz)
  4. Nível de ruído: 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 um melhor SNR, mude para a faixa de +/- 2g: 256 LSb/g, ruído = 145 ug/RTHz
  7. Novo piso de ruído: 145 * sqrt (320) = 2,6 mg rms, SNR = 10/2,6 = 3,8 (11,6 dB)
  8. Compensação: a faixa de +/- 2g satura com 2g de choque, perde eventos de 8g
  9. Solução: use +/- 2g para monitoramento de vibração, mude para +/- 8g ao acionar o limite
Resultado: Use a faixa de +/- 2g (3,8 mg de ruído de piso, 2,6 SNR a 10 mg) para vibração; a faixa automática de +/- 8g para eventos de choque.

Dicas Práticas

  • ✓Monte o acelerômetro rigidamente na estrutura; qualquer ressonância de PCB aparece como aceleração na frequência de ressonância; use nervuras de reforço ou composto de envasamento para empurrar a ressonância do PCB acima da faixa de medição de acordo com IEEE 1293
  • ✓Para detecção de inclinação, use largura de banda de 1 a 10 Hz (tampas de filtro grandes); para monitoramento de vibração, use 100 Hz-1 kHz; para detecção de choque, use largura de banda máxima sem filtro de acordo com o padrão de calibração de vibração ISO 16063-1
  • ✓Calibre a +/- 1g girando o eixo do sensor através da gravidade; a sensibilidade real e o deslocamento de zero g variam +/ -10-15% do valor nominal; a calibração de dois pontos atinge +/- 1% de precisão de acordo com os procedimentos de calibração do fabricante

Erros Comuns

  • ✗Usando a especificação de sensibilidade da tensão de alimentação errada: a sensibilidade do ADXL335 é 270 mV/g a 2 V, 300 mV/g a 3 V, 330 mV/g a 3,6 V; o uso do valor errado causa um erro de medição de 10 a 20% de acordo com a ficha técnica de dispositivos analógicos
  • ✗Confundindo +/-g em escala completa com pico a pico: +/-3g significa saturação em +3g e -3g (extensão total de 6g); a oscilação de tensão em grande escala é 2 S FS_range = 2 300 3 = 1800 mV para ADXL335
  • ✗Ignorando a largura de banda do filtro de saída: o ADXL335 não filtrado tem largura de banda de 1,6 kHz e ruído de 300 ug/RTHz; adicione limites de 0,1 uF para largura de banda de 50 Hz e ruído 5 vezes menor de acordo com as recomendações de filtro da folha de dados

Perguntas Frequentes

Os acelerômetros analógicos (ADXL335, MMA7361) emitem tensão contínua e requerem ADC externo; mais simples para projetos básicos, mas suscetíveis a ruídos analógicos. Os acelerômetros digitais (ADXL345, LIS3DH, MPU6050) contêm ADC sigma-delta interno e fornecem saída I2C/SPI com resolução de 10 a 16 bits; eles incluem buffers FIFO configuráveis em grande escala (32-1024 amostras) e saídas de interrupção para detecção de movimento. Os tipos digitais custam de 1 a 5 dólares, os analógicos custam de 2 a 4 dólares. Para novos designs, os acelerômetros digitais simplificam o firmware e melhoram a imunidade a ruídos, de acordo com a nota de aplicação AN3182 da STMicroelectronics.
Prova de MEMS que o deslocamento de massa para uma determinada aceleração deve permanecer dentro dos limites da estrutura mecânica (normalmente de 1 a 10 um). Para uma faixa g mais ampla, a força de restauração eletrostática é aumentada (reduzindo o deslocamento um/g), o que diminui a saída de tensão por g. Um sensor de +/- 2g tem sensibilidade 8x maior do que +/- 16g da mesma matriz. Isso é fundamental para o design de MEMS de acordo com a visão geral da tecnologia MEMS da Analog Devices. Selecione a faixa mais estreita que evite a saturação para obter a melhor resolução.
Aplique um filtro passa-alto com ponto de corte abaixo dos sinais de interesse (0,1-2 Hz para vibração). No firmware, subtraia a média móvel (IIR: y [n] = 0,99*y [n-1] + 0,01*x [n]) ou use um filtro IIR com bloqueio DC (HPF de primeira ordem a 0,5 Hz). Para detecção de inclinação, você precisa de uma resposta DC; nesse caso, calibre e subtraia o conhecido desvio de zero g (normalmente +/- 60 mg para MEMS por dispositivos analógicos AN-1057). A calibração da temperatura pode ser necessária à medida que o deslocamento desvia +/- 0,5 mg/C.

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