介绍
MEMS加速度传感器总算做到了可以精确测量普遍设备服务平台震动的环节。其近期的工作能力发展，再加上MEMS加速度传感器现有的相对性于传统式震动感应器的众多优点（规格、净重、成本费、耐冲击性、便捷性），促进一类新起的情况监管(CBM)系统软件逐渐应用MEMS加速度传感器。結果，很多CBM系统架构师、开发人员乃至其顾客初次考虑到应用该类感应器。她们面对的情况经常是怎么才能掌握评定MEMS加速度传感器作用的方式 ，便于在其设备服务平台上精确测量最重要的振荡特点。这初看上去貌似很艰难，由于MEMS加速度传感器数据信息指南描述最重要特性特征的方法经常并不是开发者所了解的。比如，很多人 了解用角速度(mm/s)来量化分析震动，但大部分MEMS加速度传感器数据信息指南是用根据作用力的瞬时速度(g)来表示其性能参数。幸运的是，有一些简易的技术性可以用来将瞬时速度变换为速率，及其可能加速度传感器重要特点（相频特性、检测范围、噪音相对密度）对关键系统软件级规范（网络带宽、平整度、最高值震动、屏幕分辨率）的危害。
基本上震动特点
先从惯性力健身运动视角调查线形震动。在这里情况下，震动是均值偏移为零的机械设备震荡。针对一些不期待其设备穿越重生全部生产车间的人而言，零均值偏移十分关键！震动检验连接点中关键感应器的使用价值与它体现设备震动最重要特点的水平多少立即有关。要评定特殊MEMS加速度传感器在这些方面的工作能力，最先需要从惯性力健身运动视角对震动有一个基本上掌握。图1是震动状况的物理学平面图，深灰色一部分表明圆心，深蓝色一部分表明一个方位的最高值偏移，鲜红色一部分表明另一方位的最高值偏移。式子1给予了一个叙述矩形框物件瞬时加速度的数学分析模型，其振动频率为(fV)，力度为Arms。

图1.简易线形震动

在绝大多数CBM运用中，设备服务平台的震动经常有比式子1所显示实体模型更繁杂的频带特点，但此实体模型为学习培训发现之旅给予了一个有效的立足点，因为它提供了CBM系统软件经常会追踪的两种普遍震动特点：力度和頻率。此办法对重要特点到线形速率项的转化也很有效（稍候将有大量表明）。图2给予了两大类不一样振动模式的频带主视图。第一类（参照图2中的绿线）在其工作频率范畴（f1到f6）内具备不变力度。第二类（参照图2中的红杠）在四个不一样頻率处发生了最高值力度：f2,f3,f4,和f5.

图2.CM振动模式实例系统要求
检测范围、頻率范畴（网络带宽）和屏幕分辨率是用于量化分析震动检验连接点功能的三个普遍特点。图2根据斜线矩形表明了这种特点，其界限各自相匹配最少頻率(fMIN)、最大頻率(fMAX)、最少力度(AMIN)和最大幅(AMAX)。当考虑到将MEMS加速度传感器作为震动检验连接点中的关键感应器时，系统架构师很可能想在设计方案初期剖析其相频特性、检测范围和噪音个人行为。有一些简易的技术性可以用来评定加速度传感器的各种各样特点，从而预测其能否达到特定的一组规定。很显而易见，系统架构师最后务必根据具体认证和评定来核实以上可能，但由对加速度传感器工作能力的初期剖析和预测分析所得的来的期待对这种作业是有價值的。
相频特性
图2给予了一个简洁的一阶实体模型，其叙述了频域中MEMS加速度传感器对线形瞬时速度(a)的回应(y)。在该关联中，参考点(b)表明感应器无振荡时的輸出值。占比因素(KA)表明MEMS加速度传感器回应(y)相对性于线形瞬时速度(a)转变的更改量。
感应器的相频特性叙述占比因素(KA)相对性于頻率的值。在MEMS加速度传感器中，相频特性关键有两个奉献要素：(1)其机械系统的回应；(2)其数据信号链中的过滤回应。式子3给予了一个通用性二阶实体模型，其类似叙述了MEMS加速度传感器机械设备一部分对次数的回应。在该实体模型中，fO表明串联谐振，Q表明品质因素。
数据信号链的奉献经常在于运用需要的过滤。一些MEMS加速度传感器应用单顶点低通过滤器来作用减少串联谐振时的回应增益值。式子4为该类过滤器有关的相频特性(HSC)给予了一个通用性实体模型。在此类过滤器实体模型中，截止频率(fC)表明輸出数据信号力度比键入数据信号低√2倍时的頻率。

式子5将机械系统(HM)和数据信号链(HSC)的功绩开展了合拼。

图3立即运用此实体模型来预测分析ADXL356（x轴）的相频特性。此实体模型假定允差串联谐振为5500Hz，Q为17，应用截至频为1500Hz的单顶点带通滤波器。留意，式子5和式子4仅叙述了温度传感器的回应。此实体模型未考虑到加速度传感器与其说监管的网络平台的藕合方法。

图3.ADXL356相频特性
网络带宽与平整度的关联
在运用单顶点带通滤波器（比如式子4常用）创建相频特性的数据信号链中，其网络带宽规格型号经常表明了其輸出数据信号给予键入数据信号50%输出功率时的頻率。针对更繁杂的回应，比如式子5和式子3中的三阶实体模型，网络带宽规格型号经常含有相对应的平整度规格型号。平整度特点叙述比例因素在工作频率范畴（网络带宽）内的转变。运用图3和图5中的ADXL356模拟仿真，1000Hz时的平整度约为17%，2000Hz时的平整度约为40%。
尽管很多运用因为平整度（精密度）规定而必须限定能够采用的网络带宽，但对有一些运用而言，这也许没有难题。比如，一些运用将会更重视追踪随時间的相应转变，而不是肯定精密度。另一个事例是使用数据后处理工艺技术性来清除客户最关注的工作频率范畴上的谐波失真。针对此类情况，在给出頻率标准时，回应的精密性和可靠性经常比回应的平整度更关键。
检测范围
MEMS加速度传感器的检测范围指标值表明感应器的输入输出数据信号能够追踪的较大线形瞬时速度。在超过额定值检测范围的线形瞬时速度水准，感应器的输入输出讯号会饱和状态。这类状况会导致比较严重失帧，造成无法（乃至没法）从检测結果获取有效信息内容。因而，务必保证 MEMS加速度传感器可以适用最高值瞬时速度水准（参照图2中的AMAX）。
留意，检测范围与頻率有一定的关联，由于感应器的机械设备回应会引进某类回应增益值，增益值回应的最高值出現在串联谐振时。针对ADXL356的模拟仿真回应（参照图3），增益值最高值约为4倍，故检测范围从±40g降到±10g。式子6给予了一种统计分析方法来预测分析此值，它以式子5为立足点：

占比因素的急剧改变和精度等级的减少，是大部分CBM系统软件期待将其遭到的较大振动频率限定在远小于感应器串联谐振水准的2个缘故。
屏幕分辨率
仪器设备屏幕分辨率可定义为自然环境中造成仪器设备示数产生可检验转变的极小值。"1在震动检验连接点中，瞬时速度精确测量的噪音会同时影响到其检验震动转变的工作能力（即"屏幕分辨率")。因而，针对这些已经考量运用MEMS加速度传感器检验其设备服务平台上细微震动转变的人而言，噪音个人行为是一个关键考量要素。式子7给予了一个用以量化分析MEMS加速度传感器噪音对其辨别细微震动转变功能的不良影响的简易表达式。在该实体模型中，感应器的输入输出数据信号(yM)相当于其噪音(aN)与其说承受的震动(aV)之和。由于噪音(aN)与震动(aV)沒有关联性，因此感应器输入输出讯号的力度(|yM|)相当于噪音力度(|aN|)与震动力度(|aV|)的和方根(RSS)。

那麼，必须哪种震动水准才可以摆脱精确测量中的噪音压力，在感应器输入输出数据信号中造成可观察的回应？依据噪音水准量化分析震动水准有利于以剖析方法研究这个问题。式子8根据比例(KVN)明确了这一关联，随后依据该比例导出来了一个预测分析感应器輸出转变水准的关联：

表1给予了此关联的一些标值事例，以协助表明感应器輸出检测結果相对性于震动与噪音力度之比(KVN)的提升。为简要考虑，文中剩下一部分假定感应器检测的总噪音决策其屏幕分辨率。从表1得知，这相应于KVN为1的状况，即震动力度相当于噪音力度。在这样的情形下，感应器的输入输出力度相对性于零震动时的输入输出力度会提升42%。留意，为了更好地明确该状况下屏幕分辨率的有关界定，每一种运用很有可能必须考虑到体系中可观察到哪种程度的提升。
able1.SensorsResponsetoVibraTIon/Noise

预测分析感应器噪音
图4表明了一个选用MEMS加速度传感器的震动检验连接点的简单化数据信号链。大部分状况下，带通滤波器会给予某类抗混叠适用，而数据解决会给予更清晰的相频特性界限。一般而言，这种数字滤波器会勤奋维护意味着具体震动的数据信号內容，与此同时将带外噪音的不良影响降至最少。因而，当可能噪音网络带宽时，数据解决是系统软件时要考虑到的危害较大的一部分。该类解决可选用频域技术性，比如滤波器，或选用频带技术性，比如迅速傅里叶变换(FFT)。

图4.震动检验连接点数据信号链式子9给予了一个用以可能MEMS加速度传感器精确测量总噪音(ANOISE)的表达式，在其中应用了噪音相对密度(φND)和与数据信号链有关的噪音网络带宽(fNBW)。
运用式子9中的关联，我们可以可能：当想ADXL357（噪音相对密度为80μg/√Hz）应用噪音网络带宽为100Hz的过滤器时，总噪音将为0.8mg(rms)。
用速率考量震动
一些CBM运用必须用角速度来考量关键瞬时速度特点（范畴、网络带宽、噪音）。开展这类变换的一种方式 是以图1所显示简易实体模型逐渐，并应用相同的假定：线形健身运动、单一頻率和零均值偏移。式子10根据图1中物件加速度(vV)的数学课表达式描述了该实体模型。此速率的力度（表明为方均根rms）相当于最高值速率除于√2。
式子11对于此事关联求导，得到图1中物件瞬时加速度的表达式：

从式子11中瞬时速度实体模型的最高值考虑，式子12导出来了瞬时速度力度(Arms)与速率力度(Vrms)和振动频率(fv)的新表达式。

案例研究
如今以ADXL357为例子开展科学研究，将以上內容归纳起來，用角速度表明其范畴（最高值）和1Hz至1000Hz振动频率区域内的屏幕分辨率。图5给予了对本实例有影响的好几个特点的图型界定，从ADXL357噪音相对密度相比于1Hz至1000Hz頻率范畴的关联曲线图逐渐。为了更好地简单化探讨，本案例研究中的全部测算均假定所有頻率范畴内的噪音相对密度为稳定值(φND=80μg/√Hz)。图5中的鲜红色频带曲线图表明滤波器的频带回应，翠绿色竖平行线表明单一頻率(fV)震动的频带回应，其对根据速率可能屏幕分辨率和范畴会很有效。

图5.科学研究实例的噪音相对密度和过滤全过程的第一步是运用式子9可能四个不一样噪音网络带宽(fNBW)造成的噪音(ANOISE)：1Hz、10Hz、100Hz和1000Hz。表2用2个不一样部门的角速度得出了这种結果：g和mm/s2。g在大部分MEMS加速度传感器规格型号表格中非常普遍，但震动指标值经常并不是为此来给予。幸运的是，g和mm/s2的关联已为我们熟识，参照式子13。

表2.感应器对震动/噪音的回应

本案例研究的下一步是梳理式子12中的关联，以导出来一个简洁的公式计算（参照式子14）来将总噪音可能（来源于表2）变换为角速度项（VRES、VPEAK）。除开给予此关联的一般方式以外，式子14还带来了一个特殊事例，其应用10Hz的噪音网络带宽（及2.48mm/s2的瞬时速度噪音，来源于表2）。图6中的四条斜线表明全部四种噪音网络带宽下相比于振动频率(fv)的速率屏幕分辨率。

图6.最高值和屏幕分辨率与振动频率的关联除开表明各网络带宽相匹配的屏幕分辨率以外，图6也有一条深蓝色虚线，其表明相对性于頻率的最高值震动水准（角速度）。这来源于式子15中的关联，其一般方式与式子14同样，但不应用分子结构中的噪音，而应用ADXL357适用的最大的瞬时速度。留意，分子结构中的指数√2会变大此较大瞬时速度以体现方均根水准，假定选用单一頻率震动实体模型。

最终，白框表明如何把此信息内容运用于系统软件级规定。此白框中的最少(0.28mm/s)和较大(45mm/s)速率来源于有关设备震动的常见行业标准中的一些归类水准：ISO-10816-1。将有关ADXL357范畴和屏幕分辨率曲线图的需求放到一起便可迅速得到一些简洁的结果，比如：

检测范围的最烂状况是在最大頻率时，ADXL357的±40g范畴好像可以精确测量非常大一部分的ISO-10816-1有关振动模式。

当用噪音网络带宽为10Hz的过滤器解决ADXL357的输入输出讯号时，ADXL357好像可以在1.5Hz至1000Hz頻率范畴内分析ISO-10816-1中的最少震动水准(0.28mm/s)。

当用噪音网络带宽为1Hz的过滤器解决ADXL357的输入输出讯号时，ADXL357好像可以在1Hz至1000Hz的所有頻率范畴内分析ISO-10816-1中的最少震动水准。

总结
MEMS已经是成熟稳重的震动传感器，在现代化加工厂CBM系统软件的工艺结合完美风暴中激发着关键功效。检验、联接、储存、剖析和安全领域的新解决方法统统相互之间结合，为加工厂管理人员给予彻底集成化的震动观察和全过程意见反馈自动控制系统。尽管非常容易遗忘在全部该类令人震惊技术性提高所产生的激动当中，但我们仍必须掌握如何把感应器精确测量結果与具体标准和其表示的含意联络起來。这种简洁的技术性和看法给予了一种将MEMS特性规格型号变换为应用了解的企业表明的其对重要系统软件级规范危害的方式 ，CBM房地产商以及顾客将能从这当中获得使用价值。
参照电源电路
1.GeraldC.GillandPaulL.Hexter.“.”IEEE，第11卷第2期，1973年4月
创作者
MarkLooney是ADI企业（英国密苏里州格林斯博罗）的MEMS和感应器产品系列应用工程师。自1998年添加ADI企业至今，他在感应器信号分析、快速数模转换器和DC-DC电源变换行业累积了充足的工作经历。他有着内华达州高校雷洛校区电子器件工程专业学土和硕士，曾刊登过数篇相关在工业生产使用中应用MEMS技术性的文章内容。

编写：hfy

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