2021年03月12日 | 10 kHz MEMS加速度计状态监控应用分析

电路功能与优势

状态监控(CbM)是一种预测性维护方式，其利用各种传感器来评估设备随时间的运行状态。收集的传感器数据用于建立基线趋势，从而帮助诊断甚至预测故障。与传统的定期预防性维护模式相比，利用CbM可以在需要时进行维护，时间和成本都能得到节省。

振动监测是一种常见类型的CbM测量。振动趋势的变化常常是反映磨损或其他故障模式的指标。为了测量振动数据，高带宽（10 kHz或更高）、超低噪声（100 µg/√Hz或更低）MEMS加速度计是一种经济高效且可靠的选择。

有些应用将加速度计放在靠近支持电路的地方（位于同一电路板上，或位于板外并通过短电缆连接），而有些应用则要求加速度计与支持电路隔开一定距离，这会限制连接选择。MEMS加速度计的输出通常是模拟电压和/或数字式（通常使用串行外设接口(SPI)或I2C），二者都不适合驱动长电缆。虽然可以转换为高速数字接口（如USB）、低压数字信号(LVDS)或以太网，但额外的功耗、尺寸和成本使这种方案不切实际。

相比之下，模拟电流环路数据传输（如4 mA至20 mA工业标准）具有良好的抗扰度、耐受电磁干扰(EMI)环境的鲁棒性、高带宽以及长达20米的有线数据传输能力，同时电路板上只需使用几个器件。此外，几乎所有传统工业数据采集(DAQ)系统都支持4 mA至20 mA信号标准，而且该标准很容易适应现代工业4.0智能传感器节点。

图1.EVAL-CN0533-EBZ简化电路图

电路描述

图1所示电路是一个MEMS加速度计振动检测解决方案的简化示意图，其电压输出被转换为4 mA至20 mA的模拟信号。

4 mA至20 mA电流环路和接口

自1950年代以来，4 mA至20 mA电流环路一直是工业模拟信号标准。该信号标准的主要优点是信号经长电缆传输时几乎无衰减，因而在工业和工厂等易产生EMI的环境中，其鲁棒性更高。相反，如果使用电压输出，由于电缆有电阻，长电缆（大于10米）会产生压降，导致传感器数据丢失和读数不正确。

图1所示的参考设计由单轴ADXL1002 MEMS加速度计组成，其模拟电压输出由AD5749电压至电流转换器转换为4 mA至20 mA信号标准。AD5749输入(VIN)摆幅为0 V至4.096 V，而ADXL1002模拟输出电压(VOUT)摆幅为0 V至VDD，故VDD必须设置为4.096 V。因此，选择LT6654AMPS6-4.096来提供4.096 V电压，其在-55°C至125°C的温度范围内的温度稳定性为10 ppm/°C。在VOUT和VIN之间放置一个−3 dB带宽为36 kHz的2极点RC低通滤波器。此滤波器用于限制宽带噪声并衰减来自ADXL1002内部时钟的200 kHz噪声分量；根据应用的DAQ电路的采样速率和滤波特性，该噪声可能会在带内混叠。

AD5749将ADXL1002电压输出信号直接转换为4 mA至20 mA的电流输出，对印刷电路板(PCB)尺寸的影响极小，并提供高达50 kHz的带宽和良好的抗扰度。

市场上的许多4 mA至20 mA驱动器由电流输出数模转换器(DAC)组成，需要SPI或I2C外部控制器。AD5749 4 mA至20 mA驱动器还有一个优势，那就是独立工作模式（硬件模式）。

在硬件模式下，HW_SELECT引脚设置为高电平。R0至R3和RSET引脚均接低电平，以将AD5749输出范围设置为4 mA至20 mA，这意味着无需外部微控制器来配置AD5749的输出范围。为了提高输出电流在整个温度范围内的稳定性，应在REXT1和REXT2引脚之间连接一个外部低漂移电阻。

DAQ前端电路（未包括）仅需要一个电流至电压(I-V)转换放大器。互阻抗（I-V电阻）必须根据DAQ前端电路的输入范围设置。

图2显示了手动摇动时电路的电流输出(IOUT)例子（黑线）。0 g水平对应IOUT中间范围，对于4 mA至20 mA配置，其为12 mA。满量程范围(FSR)也以灰色虚线突出显示供参考。

MEMS振动传感器优势

ADXL1002 MEMS加速度计具有超低噪声，噪声谱密度为25 µg/√Hz，支持宽带运行，3 dB带宽为11 kHz，传感器谐振频率为21 kHz。 ADXL1002在温度灵敏度、直流至低频响应、相位响应（因而群延迟）、耐冲击性和恢复性方面具有卓越的性能，其噪声水平和带宽可与压电传感器媲美。

该传感器的线性（±0.1% FSR内）测量范围为±50 g，足以支持各种CbM应用。与常规压电传感器相比，易于焊接的LFCSP封装使得很容易集成ADXL1002和周围电路。

ADXL1002为CbM应用提供一种低成本、高性能、具有出色长期可靠性的传感解决方案。这些独有特性支持CbM解决方案普遍采用MEMS振动传感器，在向工业4.0迈进的过程中拓宽智能技术的应用范围。

常见变化

根据应用要求，CN-0533电路可以支持其他单轴电压输出MEMS加速度计，例如ADXL1001、ADXL1003、ADXL1004和ADXL1005。低通滤波器的截止频率根据传感器谐振频率加以选择。

将5 V电源用于ADXL1002，并使用精密分压器将输出调整至4.096 V，然后输入AD5749，该电路即可实现加速度计数据手册所述的频谱噪声水平。

电路评估与测试

以下几节简要说明如何设置电路和机械安装、读取输出的方法以及期望的结果。

设备要求

需要以下设备：

• 一个4 mA至20 mA接收器（如National Instruments NI-9203）。请注意，可以用一个精确且温度稳定的电阻和一个电压DAQ系统代替电流DAQ。电阻值必须根据DAQ的输入电压范围确定。

• 电源（12 V至24 V）

• EVAL-CN0533-EBZ板

• EVAL-XLMOUNT1铝制安装模块

• 振动台或振动源

• 连接器和电缆

开始使用

了解和重新创建测试设置的基本步骤如下：

1.     将三根导线焊接到EVAL-CN0533-EBZ板的VCC、IOUT和GND焊盘。

2.     将EVAL-XLMOUNT1牢固地安装到振动器或振动平台上。

3.     将EVAL-CN0533-EBZ板安装到EVAL-XLMOUNT1并注意灵敏度方向。

4.     将VCC和GND连接至电源，将IOUT和GND连接至4 mA至20 mA接收器电路。

5.     在DAQ或振动测量设备上将加速度灵敏度设置为128 µA/g（ADXL1002的灵敏度可能因器件而略有不同；ADXL1002可以利用重力场或其他参考传感器轻松校准）。

电源配置

电路电源电压范围为12 V至55 V，最大电流消耗典型值为24 mA。

测试

为了验证电路在振动测量应用中的性能，该电路在ADI公司振动实验室中进行了测试。由于振动DAQ系统输入均为电压输入，因此使用了一个50Ω温度稳定且高精度的电阻来闭合电流环路，并通过电阻的压降来间接测量电路输出。该电路通过频率响应、噪声谱密度以及冲击和群延迟来刻画。每个测试的详细信息和结果如下所述。

频率响应测量

EVAL-CN0533-EBZ连接到铝块安装界面（EVAL-XLMOUNT1），并安装到振动台上，如图3所示。振动台产生100 Hz至30 kHz的受控机械振动，并具有固定的2 g加速度幅度。然后记录电路输出和振动参考（在这种情况下为激光多普勒振动计）。绘制的频率响应如图4所示，其与ADXL1002的转换函数一致。

在这个及任何其他高频振动测试中，机械信号路径的完整性很重要。换句话说，从信号源到传感器，振动信号必须没有衰减（由于阻尼）或放大（由于谐振）。在这个例子中，铝块(EVAL-XLMOUNT1)、四个螺钉安装座和厚PCB保证了目标频率范围内机械响应的平坦性。

噪声谱密度

图5显示了传感器在−40°C至+ 105°C的不同温度水平下的噪声密度特性。结果表明，整个温度范围内的噪声密度变化比ADXL1002传感器IC略大。噪声密度升高的原因是，ADXL1002的电源电压为4.096 V，而非5V。电源电压的这种降低使频谱噪声密度增加约20%。选择4.096 V电源作为AD5749基准电压(VREF)和ADXL1002输出电压(VOUT)的共同来源，因此不存在两个电压电平不一致而产生的转换误差。

正弦波振动响应

图6显示了由EVAL-CN0533-EBZ采集的数据集示例，激励信号为10 kHz正弦振动，幅度为10 g（红色数据）。此测试中显示的参考传感器（图6中的蓝色数据）是激光多普勒振动计的加速度测量。EVAL-CN0533-EBZ相对于振动计的延迟约为20μs。

冲击测试

该电路还进行了冲击曲线测试（参见图7）。冲击峰值加速度为10 g，宽度为500µs，形状为方波。请注意，ADXL1002 MEMS传感器可以用欠阻尼二阶系统建模，因此预期会有输出振铃。

在这种情况下，参考传感器为压电传感器（353C23型），具有一个谐振频率，特征群延迟为4 µs。请注意，参考传感器输出与ADXL1002的输出之间存在约25 µs的相位差。因此，电路的总群延迟约为21 µs。