mems振動(dòng)傳感器：MEMS振動(dòng)傳感器有何優(yōu)勢(shì)？
電路功能與優(yōu)勢(shì)
狀態(tài)監(jiān)控（CbM）是一種預(yù)測(cè)性維護(hù)方式，其利用各種傳感器來評(píng)估設(shè)備隨時(shí)間的運(yùn)行狀態(tài)。收集的傳感器數(shù)據(jù)用于建立基線趨勢(shì)，從而幫助診斷甚至預(yù)測(cè)故障。與傳統(tǒng)的定期預(yù)防性維護(hù)模式相比，利用CbM可以在需要時(shí)進(jìn)行維護(hù)，時(shí)間和成本都能得到節(jié)省。
振動(dòng)監(jiān)測(cè)是一種常見類型的CbM測(cè)量。振動(dòng)趨勢(shì)的變化常常是反映磨損或其他故障模式的指標(biāo)。為了測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)，高帶寬（10 kHz或更高）、超低噪聲（100 g／√Hz或更低）MEMS加速度計(jì)是一種經(jīng)濟(jì)高效且可靠的選擇。
有些應(yīng)用將加速度計(jì)放在靠近支持電路的地方（位于同一電路板上，或位于板外并通過短電纜連接），而有些應(yīng)用則要求加速度計(jì)與支持電路隔開一定距離，這會(huì)限制連接選擇。MEMS加速度計(jì)的輸出通常是模擬電壓和／或數(shù)字式（通常使用串行外設(shè)接口（SPI）或I2C），二者都不適合驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)電纜。雖然可以轉(zhuǎn)換為高速數(shù)字接口（如USB）、低壓數(shù)字信號(hào)（LVDS）或以太網(wǎng)，但額外的功耗、尺寸和成本使這種方案不切實(shí)際。
相比之下，模擬電流環(huán)路數(shù)據(jù)傳輸（如4 mA至20 mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）具有良好的抗擾度、耐受電磁干擾（EMI）環(huán)境的魯棒性、高帶寬以及長(zhǎng)達(dá)20米的有線數(shù)據(jù)傳輸能力，同時(shí)電路板上只需使用幾個(gè)器件。此外，幾乎所有傳統(tǒng)工業(yè)數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)都支持4 mA至20 mA信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，而且該標(biāo)準(zhǔn)很容易適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)4．0智能傳感器節(jié)點(diǎn)。
圖1．eval－CN0533－EBZ簡(jiǎn)化電路圖
電路描述
圖1所示電路是一個(gè)MEMS加速度計(jì)振動(dòng)檢測(cè)解決方案的簡(jiǎn)化示意圖，其電壓輸出被轉(zhuǎn)換為4 mA至20 mA的模擬信號(hào)。
4 mA至20 mA電流環(huán)路和接口
自1950年代以來，4 mA至20 mA電流環(huán)路一直是工業(yè)模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。該信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)電纜傳輸時(shí)幾乎無衰減，因而在工業(yè)和工廠等易產(chǎn)生EMI的環(huán)境中，其魯棒性更高。相反，如果使用電壓輸出，由于電纜有電阻，長(zhǎng)電纜（大于10米）會(huì)產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)丟失和讀數(shù)不正確。
圖1所示的參考設(shè)計(jì)由單軸ADXL1002 MEMS加速度計(jì)組成，其模擬電壓輸出由AD5749電壓至電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為4 mA至20 mA信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。AD5749輸入（VIN）擺幅為0 V至4．096 V，而ADXL1002模擬輸出電壓（VOUT）擺幅為0 V至VDD，故VDD必須設(shè)置為4．096 V。因此，選擇LT6654AMPS6－4．096來提供4．096 V電壓，其在－55°C至125°C的溫度范圍內(nèi)的溫度穩(wěn)定性為10 ppm／°C。在VOUT和VIN之間放置一個(gè)3 dB帶寬為36 kHz的2極點(diǎn)RC低通濾波器。此濾波器用于限制寬帶噪聲并衰減來自ADXL1002內(nèi)部時(shí)鐘的200 kHz噪聲分量；根據(jù)應(yīng)用的DAQ電路的采樣速率和濾波特性，該噪聲可能會(huì)在帶內(nèi)混疊。
AD5749將ADXL1002電壓輸出信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為4 mA至20 mA的電流輸出，對(duì)印刷電路板（PCB）尺寸的影響極小，并提供高達(dá)50 kHz的帶寬和良好的抗擾度。
市場(chǎng)上的許多4 mA至20 mA驅(qū)動(dòng)器由電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）組成，需要SPI或I2C外部控制器。AD5749 4 mA至20 mA驅(qū)動(dòng)器還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，那就是獨(dú)立工作模式（硬件模式）。
在硬件模式下，HW＿SELECT引腳設(shè)置為高電平。R0至R3和RSET引腳均接低電平，以將AD5749輸出范圍設(shè)置為4 mA至20 mA，這意味著無需外部微控制器來配置AD5749的輸出范圍。為了提高輸出電流在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，應(yīng)在REXT1和REXT2引腳之間連接一個(gè)外部低漂移電阻。
DAQ前端電路（未包括）僅需要一個(gè)電流至電壓（I－V）轉(zhuǎn)換放大器。互阻抗（I－V電阻）必須根據(jù)DAQ前端電路的輸入范圍設(shè)置。
圖2顯示了手動(dòng)搖動(dòng)時(shí)電路的電流輸出（IOUT）例子（黑線）。0 g水平對(duì)應(yīng)IOUT中間范圍，對(duì)于4 mA至20 mA配置，其為12 mA。滿量程范圍（FSR）也以灰色虛線突出顯示供參考。
圖2．響應(yīng)加速度輸入的電流輸出和加速度
MEMS振動(dòng)傳感器優(yōu)勢(shì)
ADXL1002 MEMS加速度計(jì)具有超低噪聲，噪聲譜密度為25 g／√Hz，支持寬帶運(yùn)行，3 dB帶寬為11 kHz，傳感器諧振頻率為21 kHz。 ADXL1002在溫度靈敏度、直流至低頻響應(yīng)、相位響應(yīng)（因而群延遲）、耐沖擊性和恢復(fù)性方面具有卓越的性能，其噪聲水平和帶寬可與壓電傳感器媲美。
該傳感器的線性（±0．1％ FSR內(nèi)）測(cè)量范圍為±50 g，足以支持各種CbM應(yīng)用。與常規(guī)壓電傳感器相比，易于焊接的LFCSP封裝使得很容易集成ADXL1002和周圍電路。
ADXL1002為CbM應(yīng)用提供一種低成本、高性能、具有出色長(zhǎng)期可靠性的傳感解決方案。這些獨(dú)有特性支持CbM解決方案普遍采用MEMS振動(dòng)傳感器，在向工業(yè)4．0邁進(jìn)的過程中拓寬智能技術(shù)的應(yīng)用范圍。
常見變化
根據(jù)應(yīng)用要求，CN－0533電路可以支持其他單軸電壓輸出MEMS加速度計(jì)，例如ADXL1001、ADXL1003、ADXL1004和ADXL1005。低通濾波器的截止頻率根據(jù)傳感器諧振頻率加以選擇。
將5 V電源用于ADXL1002，并使用精密分壓器將輸出調(diào)整至4．096 V，然后輸入AD5749，該電路即可實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)數(shù)據(jù)手冊(cè)所述的頻譜噪聲水平。
電路評(píng)估與測(cè)試
以下幾節(jié)簡(jiǎn)要說明如何設(shè)置電路和機(jī)械安裝、讀取輸出的方法以及期望的結(jié)果。
設(shè)備要求
需要以下設(shè)備：
一個(gè)4 mA至20 mA接收器（如National Instruments NI－9203）。請(qǐng)注意，可以用一個(gè)精確且溫度穩(wěn)定的電阻和一個(gè)電壓DAQ系統(tǒng)代替電流DAQ。電阻值必須根據(jù)DAQ的輸入電壓范圍確定。
電源（12 V至24 V）
eval－CN0533－EBZ板
eval－XLMOUNT1鋁制安裝模塊
振動(dòng)臺(tái)或振動(dòng)源
連接器和電纜
開始使用
了解和重新創(chuàng)建測(cè)試設(shè)置的基本步驟如下：
1．將三根導(dǎo)線焊接到eval－CN0533－EBZ板的VCC、IOUT和GND焊盤。
2．將eval－XLMOUNT1牢固地安裝到振動(dòng)器或振動(dòng)平臺(tái)上。
3．將eval－CN0533－EBZ板安裝到eval－XLMOUNT1并注意靈敏度方向。
4．將VCC和GND連接至電源，將IOUT和GND連接至4 mA至20 mA接收器電路。
5．在DAQ或振動(dòng)測(cè)量設(shè)備上將加速度靈敏度設(shè)置為128 A／g（ADXL1002的靈敏度可能因器件而略有不同；ADXL1002可以利用重力場(chǎng)或其他參考傳感器輕松校準(zhǔn)）。
電源配置
電路電源電壓范圍為12 V至55 V，最大電流消耗典型值為24 mA。
測(cè)試
為了驗(yàn)證電路在振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用中的性能，該電路在ADI公司振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)試。由于振動(dòng)DAQ系統(tǒng)輸入均為電壓輸入，因此使用了一個(gè)50ω溫度穩(wěn)定且高精度的電阻來閉合電流環(huán)路，并通過電阻的壓降來間接測(cè)量電路輸出。該電路通過頻率響應(yīng)、噪聲譜密度以及沖擊和群延遲來刻畫。每個(gè)測(cè)試的詳細(xì)信息和結(jié)果如下所述。
頻率響應(yīng)測(cè)量
eval－CN0533－EBZ連接到鋁塊安裝界面（eval－XLMOUNT1），并安裝到振動(dòng)臺(tái)上，如圖3所示。振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生100 Hz至30 kHz的受控機(jī)械振動(dòng)，并具有固定的2 g加速度幅度。然后記錄電路輸出和振動(dòng)參考（在這種情況下為激光多普勒振動(dòng)計(jì)）。繪制的頻率響應(yīng)如圖4所示，其與ADXL1002的轉(zhuǎn)換函數(shù)一致。
圖3．利用eval－XLMOUNT1將eval－CN0533－EBZ安裝到振動(dòng)臺(tái)上
圖4．頻率響應(yīng)
在這個(gè)及任何其他高頻振動(dòng)測(cè)試中，機(jī)械信號(hào)路徑的完整性很重要。換句話說，從信號(hào)源到傳感器，振動(dòng)信號(hào)必須沒有衰減（由于阻尼）或放大（由于諧振）。在這個(gè)例子中，鋁塊（eval－XLMOUNT1）、四個(gè)螺釘安裝座和厚PCB保證了目標(biāo)頻率范圍內(nèi)機(jī)械響應(yīng)的平坦性。
噪聲譜密度
圖5顯示了傳感器在 40°C至＋ 105°C的不同溫度水平下的噪聲密度特性。結(jié)果表明，整個(gè)溫度范圍內(nèi)的噪聲密度變化比ADXL1002傳感器IC略大。噪聲密度升高的原因是，ADXL1002的電源電壓為4．096 V，而非5V。電源電壓的這種降低使頻譜噪聲密度增加約20％。選擇4．096 V電源作為AD5749基準(zhǔn)電壓（VREF）和ADXL1002輸出電壓（VOUT）的共同來源，因此不存在兩個(gè)電壓電平不一致而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差。
圖5．1 kHz時(shí)噪聲密度與溫度的關(guān)系
正弦波振動(dòng)響應(yīng)
圖6顯示了由eval－CN0533－EBZ采集的數(shù)據(jù)集示例，激勵(lì)信號(hào)為10 kHz正弦振動(dòng)，幅度為10 g（紅色數(shù)據(jù)）。此測(cè)試中顯示的參考傳感器（圖6中的藍(lán)色數(shù)據(jù)）是激光多普勒振動(dòng)計(jì)的加速度測(cè)量。eval－CN0533－EBZ相對(duì)于振動(dòng)計(jì)的延遲約為20μs。
圖6．器件對(duì)10 g加速度正弦波激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)
沖擊測(cè)試
該電路還進(jìn)行了沖擊曲線測(cè)試（參見圖7）。沖擊峰值加速度為10 g，寬度為500s，形狀為方波。請(qǐng)注意，ADXL1002 MEMS傳感器可以用欠阻尼二階系統(tǒng)建模，因此預(yù)期會(huì)有輸出振鈴。
在這種情況下，參考傳感器為壓電傳感器（353C23型），具有一個(gè)諧振頻率，特征群延遲為4 s。請(qǐng)注意，參考傳感器輸出與ADXL1002的輸出之間存在約25 s的相位差。因此，電路的總?cè)貉舆t約為21 s。
圖7．10 g沖擊曲線
mems振動(dòng)傳感器：MEMS振動(dòng)監(jiān)控簡(jiǎn)介
簡(jiǎn)介
MEMS慣性傳感器在當(dāng)今的眾多個(gè)人電子設(shè)備中發(fā)揮著重要作用。 小尺寸、低功耗、易集成、強(qiáng)大功能性和卓越性能，這些因素促使著智能手機(jī)、游戲控制器、活動(dòng)跟蹤器、數(shù)碼相框等裝置不斷創(chuàng)新。 此外，MEMS慣性傳感器用于汽車安全系統(tǒng)可顯著提高系統(tǒng)可靠性，并降低系統(tǒng)成本，使汽車安全系統(tǒng)能夠應(yīng)用于大多數(shù)汽車。
功能集成度和性能的不斷發(fā)展也有助于將MEMS加速度計(jì)和陀螺儀應(yīng)用于許多不同的工業(yè)系統(tǒng)。 其中一些應(yīng)用成為現(xiàn)有產(chǎn)品和服務(wù)的低成本替代品，而其他應(yīng)用則開始率先集成慣性感測(cè)功能。 作為擁有兩類用戶的應(yīng)用，振動(dòng)監(jiān)控也正方興未艾。 出于維護(hù)和安全需求而用于監(jiān)控機(jī)械健康狀況的傳統(tǒng)儀器儀表通常采用壓電技術(shù)。 高速自動(dòng)化設(shè)備對(duì)振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，以觸發(fā)對(duì)潤(rùn)滑、速度或皮帶張力的反饋控制，或者關(guān)閉設(shè)備以便于維修人員快速檢查。
盡管壓電器件擁有成熟的用戶群，但MEMS加速度計(jì)為新興的用戶群提供了輕松集成、降低成本等優(yōu)勢(shì)。 另外，MEMS加速度計(jì)先進(jìn)的功能集成允許在ADIS數(shù)字MEMS振動(dòng)傳感器等器件中集成嵌入式RF收發(fā)器，從而實(shí)現(xiàn)一種集信號(hào)處理和通信功能于一體的完整解決方案。 此類可編程器件可以定期自動(dòng)喚醒，捕獲時(shí)域振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)記錄執(zhí)行快速傅里葉變換(FFT)，對(duì)FFT結(jié)果進(jìn)行用戶可配置的頻譜分析，通過高效的無線傳輸線路提供簡(jiǎn)單的通過/失敗結(jié)果，存取數(shù)據(jù)和結(jié)果，然后返回休眠狀態(tài)。 振動(dòng)檢測(cè)的新用戶們認(rèn)為，快速部署以及合理的擁有成本是選用完全集成式MEMS器件的重要原因。
振動(dòng)監(jiān)控應(yīng)用
利用振動(dòng)觀察機(jī)器健康狀況旨在將可觀察到的振動(dòng)與典型的磨損機(jī)制關(guān)聯(lián)起來，比如軸承、齒輪、鏈條、皮帶、刷子、軸、線圈和閥門。 在一臺(tái)典型機(jī)器中，至少有一種磨損機(jī)制需定期維護(hù)。 圖1展示了正常磨損機(jī)制振動(dòng)與時(shí)間關(guān)系的三個(gè)例子。 盡管確定這種關(guān)系需要時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)，但關(guān)聯(lián)得當(dāng)?shù)恼駝?dòng)特征不失為短周期定期維護(hù)的低成本替代方案。 利用實(shí)際觀察結(jié)果，比如振動(dòng)，可在檢測(cè)到報(bào)警條件（紅色曲線）時(shí)快速采取行動(dòng)，同時(shí)還能避免對(duì)使用壽命未到期的機(jī)器過早進(jìn)行維護(hù)（藍(lán)色和綠色曲線）。
圖1同時(shí)還展示了機(jī)器維護(hù)周期的兩種報(bào)警設(shè)置（報(bào)警、關(guān)鍵）以及三個(gè)階段（早期、中期、末期）。 報(bào)警水平規(guī)定了正常運(yùn)行期間的最大振動(dòng)頻率，其中，觀察到的振動(dòng)不含對(duì)機(jī)器或技術(shù)支持人員的潛在危險(xiǎn)。 在正常范圍時(shí)，可以使用一些儀表測(cè)量偶爾出現(xiàn)的振動(dòng)。 臨界水平表示，資產(chǎn)存在嚴(yán)重受損的風(fēng)險(xiǎn)，從而給技術(shù)支持人員或環(huán)境帶來不安全因素。 顯然，機(jī)器操作員希望在這一水平時(shí)避免操作機(jī)器，并通常會(huì)停止使用機(jī)器。 當(dāng)振動(dòng)超過報(bào)警水平但低于臨界水平時(shí)，機(jī)器仍可以繼續(xù)工作，但應(yīng)該提高觀察頻率，并可能需要進(jìn)行額外的維護(hù)。
有時(shí)候，這三個(gè)操作區(qū)（正常、報(bào)警、臨界）可以對(duì)應(yīng)于機(jī)器維護(hù)周期的三個(gè)階段： 早期、中期、末期，每個(gè)階段的振動(dòng)監(jiān)控策略可能會(huì)有所不同。 例如，在早期，可能只需要每天、每周或每月觀察儀器的主要振動(dòng)屬性。 進(jìn)入中期時(shí)，可能需要每小時(shí)觀察一次，而在接近末期時(shí)，振動(dòng)監(jiān)控的頻率可能還要更高，尤其是在人員或資產(chǎn)處于危險(xiǎn)的情況下。 在該階段，利用便攜式設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)控的機(jī)器，其重復(fù)成本將逐漸增加，與維護(hù)成本相比，可能高得讓人望而卻步。 雖然有必要對(duì)重要資產(chǎn)進(jìn)行特殊關(guān)照，但許多其他儀器卻是無法承受這種重復(fù)成本。 作為人工測(cè)量的補(bǔ)充，嵌入式MEMS傳感器為要求實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)的設(shè)備提供了更為經(jīng)濟(jì)高效的方法。
圖1. 振動(dòng)與時(shí)間關(guān)系示例
振動(dòng)的性質(zhì)
振動(dòng)是一種重復(fù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 在開發(fā)振動(dòng)檢測(cè)儀器時(shí)，需考慮多個(gè)重要屬性。 首先，振蕩運(yùn)動(dòng)往往同時(shí)具有線性和旋轉(zhuǎn)元件。 大多數(shù)振動(dòng)檢測(cè)關(guān)系都傾向于關(guān)注振蕩幅度，而非絕對(duì)位置跟蹤，因此，線性傳感器（如MEMS加速度計(jì)）對(duì)于捕獲運(yùn)動(dòng)信息而言足夠了。 當(dāng)主要為線性運(yùn)動(dòng)時(shí)，了解運(yùn)動(dòng)方向就顯得極為重要，尤其是在使用單軸傳感器時(shí)。 相反，3軸傳感器具有更高的安裝靈活性，因?yàn)檎环较蚩梢栽谝粋€(gè)或更多軸上拾取，而不受振動(dòng)方向的影響。
由于振動(dòng)具有周期性，因此，頻譜分析是確定振動(dòng)曲線特性（振動(dòng)幅度與頻率關(guān)系）的一種簡(jiǎn)便辦法。 圖2所示曲線同時(shí)有寬帶和窄帶成分，主體振動(dòng)頻率約為1350 Hz，還有4個(gè)諧波和一些低電平寬帶成分。 每一件活動(dòng)設(shè)備都有其自己的振動(dòng)曲線，而窄帶響應(yīng)一般表示設(shè)備的自然頻率。
圖2. 振動(dòng)曲線示例（自然頻率：約1350 Hz）
信號(hào)處理
傳感器選擇和信號(hào)處理架構(gòu)取決于應(yīng)用目標(biāo)。 舉例來說，圖3所示信號(hào)鏈持續(xù)監(jiān)控特定頻帶，通過附近的控制面板提供報(bào)警燈和關(guān)鍵燈信號(hào)。 制造商在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)有助于帶通濾波器的設(shè)計(jì)，尤其是在啟動(dòng)頻率、停機(jī)頻率和帶通滾降速率方面。 旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)械結(jié)構(gòu)的自然頻率、因故障而異的振動(dòng)都可能影響帶通濾波器。 盡管這種方法非常簡(jiǎn)單，但當(dāng)有特定機(jī)器的歷史數(shù)據(jù)時(shí)，振動(dòng)監(jiān)控要求也可能發(fā)生變化。 監(jiān)控要求的變化可能導(dǎo)致濾波器結(jié)構(gòu)的變化，從而可能造成重復(fù)的工程成本。 開發(fā)人員可以通過數(shù)字化傳感器響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信號(hào)處理功能（如濾波、rms計(jì)算和電平檢測(cè)器），利用輔助I/O輸出控制指示器燈的方式，以復(fù)雜性換取靈活性，或提供數(shù)字輸出。
圖3. 時(shí)域振動(dòng)信號(hào)鏈?zhǔn)纠?br/>圖4所示為ADIS的信號(hào)鏈ADIS采用一個(gè)帶FFT分析和存儲(chǔ)功能的數(shù)字三軸振動(dòng)傳感器監(jiān)控設(shè)備振動(dòng)的頻譜成分。
圖4. 用于頻譜振動(dòng)分析的ADIS信號(hào)鏈
內(nèi)核傳感器
兩種方式的內(nèi)核傳感器都可以是MEMS加速度計(jì)。 選擇內(nèi)核傳感器時(shí)，最重要的屬性為軸數(shù)、封裝/裝配要求、電氣接口（模擬/數(shù)字）、頻率響應(yīng)（帶寬）、測(cè)量范圍、噪聲和線性度。 盡管許多三軸MEMS加速度計(jì)都支持直接連接多數(shù)嵌入式處理器，但要獲得較高性能則可能要求采用具有模擬輸出的單軸或雙軸解決方案。 例如，ADXL001高性能寬帶iMEMS?加速度計(jì)就利用22-kHz諧振提供最寬的帶寬，但它只是一款單軸模擬輸出器件。 在配有模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的系統(tǒng)中，模擬輸出可實(shí)現(xiàn)快速接口，但當(dāng)前的開發(fā)趨勢(shì)似乎更青睞于那些搭載了數(shù)字接口的傳感器。
內(nèi)核傳感器的頻率響應(yīng)和測(cè)量范圍決定其輸出飽和前可以支持的最大振動(dòng)頻率和幅度。 飽和會(huì)降低頻譜響應(yīng)，從而產(chǎn)生可能導(dǎo)致故障報(bào)警的雜散成分，即使飽和頻率不影響目標(biāo)頻率時(shí)也是如此。 測(cè)量范圍和頻率響應(yīng)的關(guān)系如下：
其中， D 為物理位移， ω 為振動(dòng)頻率，A 為加速度。
頻率響應(yīng)和測(cè)量范圍限制著傳感器的響應(yīng)，其噪聲和線性度則限制著分辨率。 噪聲決定將在輸出中響應(yīng)的振動(dòng)下限，而線性度則決定振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的故障諧波量。
模擬濾波器
模擬濾波器將信號(hào)成分限制在一個(gè)奈奎斯特區(qū)之內(nèi)，即為示例系統(tǒng)采樣速率的一半。 即使濾波器截止頻率處于奈奎斯特區(qū)之內(nèi)，也不可能無限制地抵制高頻組分，這些高頻組分仍可能折回通帶中。 對(duì)于只監(jiān)控第一奈奎斯特區(qū)的系統(tǒng)，這種折回行為可能產(chǎn)生假故障，并扭曲特定頻率下的振動(dòng)成分。
窗
在振動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用中，時(shí)間相干采樣往往并不實(shí)用，因?yàn)闀r(shí)間記錄起始和結(jié)束處的非零采樣值會(huì)導(dǎo)致較大的頻譜泄漏，從而可能降低FFT分辨率。 在計(jì)算FFT前應(yīng)用窗口函數(shù)有助于控制頻譜泄漏。 最佳窗口函數(shù)取決于實(shí)際信號(hào)，但通常需要衡量的因素包括過程損失、頻譜泄漏、旁瓣位置和旁瓣電平。
快速傅里葉變換(FFT)
FFT是分析離散時(shí)間數(shù)據(jù)的一種高效算法。 該過程將時(shí)間記錄轉(zhuǎn)換為離散頻譜記錄，其中，每個(gè)采樣代表奈奎斯特區(qū)的一個(gè)離散頻段。 輸出采樣的總數(shù)等于原始時(shí)間記錄中的采樣數(shù)，在大多數(shù)情況下，為二項(xiàng)級(jí)數(shù)中的一個(gè)數(shù)字(1、2、4、8……)。 頻譜數(shù)據(jù)同時(shí)包括幅度和相位信息，可采用矩形或極性格式表示。 采用矩形表示時(shí)，F(xiàn)FT倉的一半含有模值信息，另一半則含有相位信息。 采用極性表示時(shí)，F(xiàn)FT倉的一半含有實(shí)部結(jié)果，另一半則含有虛部結(jié)果。
在某些情況下，幅度和相位信息都有用，但幅度/頻率關(guān)系含有的信息往往足以檢測(cè)關(guān)鍵變化。 對(duì)于只提供幅度結(jié)果的器件，F(xiàn)FT譜線的數(shù)量等于原始時(shí)域記錄中采樣數(shù)的一半。 FFT頻譜寬度等于采樣速率除以記錄總數(shù)。 在一定程度上，每個(gè)FFT頻譜都像是時(shí)域中一個(gè)獨(dú)立的帶通濾波器。 圖5為MEMS振動(dòng)傳感器的一個(gè)實(shí)際示例，其中，采樣速率為 SPS，始于512點(diǎn)記錄。 在這種情況下，傳感器只提供幅度信息，因此，總數(shù)為256，頻譜寬度等于40 Hz (/512)。
圖5. ADIS FFT輸出
頻譜寬度非常重要，因?yàn)楫?dāng)頻率從一個(gè)譜線轉(zhuǎn)換到一個(gè)鄰近譜線時(shí)，頻譜寬度決定頻率分辨率，同時(shí)還決定包含的總噪聲。 總噪聲(rms)等于噪聲密度(~240 μg/√Hz)與頻譜寬度平方根(√40 Hz)之積，約合1.5 mg rms。 對(duì)于噪聲對(duì)振動(dòng)分辨影響最大的低頻應(yīng)用，可在FFT過程之前采用一個(gè)抽取濾波器，這樣可以提高頻率和幅度分辨率，而無需更改ADC的采樣頻率。 以256對(duì) SPS的采樣速率進(jìn)行抽取計(jì)算，可使頻率分辨率增強(qiáng)256倍，同時(shí)使噪聲降低16倍。
頻譜報(bào)警
使用FFT的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是可以簡(jiǎn)化頻譜報(bào)警的應(yīng)用。 圖6中的示例包括5個(gè)獨(dú)立的頻譜報(bào)警，分別負(fù)責(zé)監(jiān)控機(jī)器自然頻率(#1)、諧波（#2、#3和#4）以及寬帶成分(#5)。 報(bào)警和臨界電平對(duì)應(yīng)于機(jī)器健康振動(dòng)與時(shí)間關(guān)系曲線中的電平。 啟動(dòng)和停機(jī)頻率完善了這種關(guān)系所代表的過程變量定義。 在使用嵌入式處理器時(shí)，頻譜報(bào)警定義變量（啟動(dòng)/停機(jī)頻率、報(bào)警/臨界報(bào)警電平）可能處于采用數(shù)字碼配置的可配置寄存器中。 使用相同的比例因子和譜線編號(hào)方案可大大簡(jiǎn)化這一過程。
圖6. FFT示例（帶頻譜報(bào)警）
記錄管理
記錄管理是與過程變量關(guān)系關(guān)聯(lián)的一個(gè)關(guān)鍵功能。 存儲(chǔ)每臺(tái)機(jī)器壽命期內(nèi)不同階段的FFT記錄可對(duì)多種行為進(jìn)行分析，然后繪制出一幅磨損曲線圖，從而有助于維護(hù)和安全規(guī)劃。 除了匯集歷史振動(dòng)數(shù)據(jù)以外，捕獲與電源、溫度、日期、時(shí)間、采樣速率、報(bào)警設(shè)置和濾波相關(guān)的條件數(shù)據(jù)也具有較大價(jià)值。
接口
接口取決于特定廠房中的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。 在某些情況下，有多種工業(yè)電纜通信標(biāo)準(zhǔn)（如以太網(wǎng)、RS-485）可供選擇，因此，智能傳感器與通信系統(tǒng)之間的接口可能是一個(gè)嵌入式處理器。 在其他情況下，相同的嵌入式處理器可用來連接智能傳感器與現(xiàn)有無線協(xié)議，比如Wi-Fi、ZigBee或特定系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。 有些智能傳感器（如面向遠(yuǎn)程傳感器的ADIS無線網(wǎng)關(guān)和ADIS）配有開箱即用的無線接口，通過常見的嵌入式接口（如SPI或I2C.）即可使用。
結(jié)論
MEMS慣性技術(shù)迎來了一個(gè)嶄新的振動(dòng)監(jiān)控時(shí)代，并為此類儀器儀表贏得了更廣泛的用戶群體。 性能、封裝和熟悉度可能有利于壓電技術(shù)繼續(xù)發(fā)揮作用，但顯然振動(dòng)監(jiān)控正在發(fā)展和進(jìn)步。 通過先進(jìn)的功能集成和出色的適應(yīng)能力，MEMS器件在新型振動(dòng)監(jiān)控應(yīng)用中獲得了越來越多的關(guān)注。 檢測(cè)點(diǎn)的高級(jí)信號(hào)處理技術(shù)帶來了巨大便利，使大多數(shù)情況下的監(jiān)控負(fù)擔(dān)簡(jiǎn)化為一種簡(jiǎn)單狀態(tài)（正常、報(bào)警、臨界）。 此外，通過便利的通信通道實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存取功能則為振動(dòng)監(jiān)控儀器創(chuàng)造了新的應(yīng)用機(jī)會(huì)。 放眼未來，關(guān)鍵性能指標(biāo)（噪聲、帶寬和動(dòng)態(tài)范圍）的發(fā)展，再加上高度的功能集成，必將促使這種趨勢(shì)繼續(xù)向前發(fā)展。
參考電路
電路筆記CN0303： 帶頻率響應(yīng)補(bǔ)償功能的MEMS振動(dòng)分析儀。
Bob Scannell MS-2507： 利用無線振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)連續(xù)、可靠的過程監(jiān)控。
mems振動(dòng)傳感器：什么是振動(dòng)傳感器
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80次閱讀智能傳感器和多功能傳感器解析傳感器像人的五官一樣，是獲取信息的重要工具。它在工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。但....發(fā)表于 2020-07-13 17:45?
47次閱讀新型傳感技術(shù) 薄膜基熒光傳感從嚴(yán)格意義上講，傳感器是一類具有信息感受和物理量轉(zhuǎn)換功能的有形器件。一般而言，傳感器主要由敏感元件、....發(fā)表于 2020-07-13 17:38?
106次閱讀創(chuàng)新的傳感器技術(shù)將在我們的生活中應(yīng)用越來越廣泛為了提高全天候的安全性，未來的傳感器需要在任何天氣條件下都能很好地運(yùn)行，將更少地依賴可見光傳感器作為....發(fā)表于 2020-07-13 17:25?
79次閱讀一張紙能夠協(xié)助診斷世界疾病瘧疾在烏干達(dá)的一個(gè)小學(xué)生測(cè)試組中，一張看起來像折紙一樣的廉價(jià)紙條，卻能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出正確率達(dá)到98%的瘧....發(fā)表于 2020-07-13 16:54?
89次閱讀隱蔽式安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)隱蔽式攝像機(jī)通常安裝在普通物體內(nèi)，或者安裝在某 個(gè)不透明物體(如墻壁或天花板)上的小孔的后面。燈泡、....發(fā)表于 2020-07-13 16:18?
138次閱讀傳感器制造工藝有哪些分類傳感器在近現(xiàn)代主要的制造工藝有四種，分別是集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器和陶瓷傳感器。發(fā)表于 2020-07-13 15:12?
109次閱讀FUTEK的中空型測(cè)力傳感器介紹FUTEK的中空型測(cè)力傳感器，是螺栓預(yù)緊力測(cè)試?yán)硐氲膫鞲衅鳌TH系列中空型測(cè)力傳感器，提供一系列的....發(fā)表于 2020-07-13 14:58?
43次閱讀手機(jī)攝像頭的結(jié)構(gòu)和影響手機(jī)拍照質(zhì)量的因素分析手機(jī)攝像頭由多種元器件組裝而成，元件數(shù)量集成度越多，就代表手機(jī)攝像頭的功能越完善，相應(yīng)的封裝難度也更....發(fā)表于 2020-07-13 14:26?
99次閱讀什么是粉塵濃度傳感器，它的作用是什么粉塵是指懸浮在空氣中的固體微粒。習(xí)慣上對(duì)粉塵有許多名稱，如灰塵、塵埃、煙塵、礦塵、砂塵、粉末等，這些....發(fā)表于 2020-07-13 14:22?
22次閱讀余壓監(jiān)控系統(tǒng)如何在發(fā)生火災(zāi)時(shí)控制余壓值的范圍超高層建筑作為體量巨大、對(duì)結(jié)構(gòu)和功能有著特殊標(biāo)準(zhǔn)和要求的特種建筑，是一個(gè)國家彰顯大國形象與經(jīng)濟(jì)實(shí)力的....發(fā)表于 2020-07-13 14:04?
79次閱讀傾角傳感器的典型應(yīng)用范圍采用國際先進(jìn)的磁敏感元件，參照大地水平面，巧妙利用重力擺結(jié)構(gòu)，精密的無電觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，測(cè)量出相對(duì)大地水平....發(fā)表于 2020-07-13 11:04?
83次閱讀III族氮化物化合物半導(dǎo)體具有帶隙可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)氮化鎵（GaN）是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.4eV，對(duì)應(yīng)截至波長(zhǎng)365nm，對(duì)可見光無響....發(fā)表于 2020-07-13 10:54?
47次閱讀智能手機(jī)運(yùn)用了MEMS環(huán)境光感器和接近傳感器？接近傳感器在自動(dòng)包裝機(jī)械中的應(yīng)用機(jī)械化生產(chǎn)制造催生了對(duì)自動(dòng)包裝技術(shù)的需求，人工包裝的方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿....發(fā)表于 2020-07-13 10:51?
235次閱讀無線溫度數(shù)據(jù)采集傳感器解決方案 無線溫度傳感器，是針對(duì)溫度監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的一款無線數(shù)據(jù)采集終端，也叫智能溫度傳感器，無線溫度采集器，屬于無線傳感...發(fā)表于 2020-07-09 11:34?
129次閱讀UNIVO傳感器的解決方案 UNIVO是國內(nèi)眾多的傳感器公司之一，主要提供創(chuàng)新的傳感器解決方案來幫助客戶將概念轉(zhuǎn)化為智能、連接的產(chǎn)品。...發(fā)表于 2020-07-09 11:33?
143次閱讀ZTP-148SR為核心測(cè)量傳感器的額溫槍解決方案 當(dāng)前COVID-19疫情發(fā)生時(shí)期，在全國人民萬眾一心，眾志成城抗擊新型肺炎的過程中，額溫槍成為阻擊疫情進(jìn)一步傳...發(fā)表于 2020-07-09 09:28?
121次閱讀MLX適用于測(cè)量環(huán)境亮度或用于控制LCD背光亮度應(yīng)用的LED亮度 汽車進(jìn)入隧道時(shí)候，需要打開照明或者自動(dòng)點(diǎn)亮LCD屏的背光。這就需求對(duì)自然光強(qiáng)度的變化進(jìn)行檢測(cè)。MLX適...發(fā)表于 2020-07-09 09:17?
91次閱讀TE傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)和控制醫(yī)療系統(tǒng)中各種應(yīng)用的電子系統(tǒng)至關(guān)重要 TE Connectivity利用許多不同的技術(shù)設(shè)計(jì)和制造各種傳感器，這些技術(shù)對(duì)于監(jiān)測(cè)和控制醫(yī)療系統(tǒng)中各種應(yīng)用的電子系...發(fā)表于 2020-07-08 15:44?
103次閱讀測(cè)距的傳感器除了超聲波和紅外，有沒有別的 請(qǐng)問一下，網(wǎng) 里測(cè)距的傳感器除了超聲波和紅外，有沒有別的？因?yàn)槌暡ǖ臏y(cè)距范圍是一個(gè)傘形區(qū)，若傳感器和待測(cè)物體...發(fā)表于 2020-07-08 07:38?
55次閱讀阿爾卑斯阿爾派樣品免費(fèi)領(lǐng)！再送一份選型指南本期，華秋商城為您帶來：阿爾卑斯阿爾派開關(guān)、傳感器產(chǎn)品的選型指南：
●阿爾卑斯阿爾派 TACT SWITCH輕觸...發(fā)表于 2020-07-07 16:42?
195次閱讀NPP-301傳感器在壓力開關(guān)中的應(yīng)用 壓力開關(guān)采用高精度、高穩(wěn)定性能的壓力傳感器和變送電路，再經(jīng)專用 CPU模塊化信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)壓力信號(hào)...發(fā)表于 2020-07-07 15:21?
74次閱讀SMI微壓傳感器SM9541的電路設(shè)計(jì) 透氣性測(cè)試儀在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用是很重要的。本文簡(jiǎn)述了SMI微壓傳感器SM9541的電路設(shè)計(jì)，通過該壓力傳感...發(fā)表于 2020-07-07 11:04?
101次閱讀TE公司推出小尺寸角速率傳感器(陀螺儀)MODEL 610 MODEL 610是TE公司推出一款小尺寸角速率傳感器（陀螺儀），利用可靠的硅MEMS傳感元件、定制電子元件和...發(fā)表于 2020-07-07 10:41?
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mems振動(dòng)傳感器：振動(dòng)故障預(yù)測(cè)診斷
WTSXXXX系列物聯(lián)網(wǎng)振動(dòng)傳感器是小巧精密型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)采集傳感器，用于持續(xù)監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、健康狀況、故障情況，并對(duì)意外的設(shè)備故障進(jìn)行早期預(yù)測(cè)；產(chǎn)品采用高性能的MEMS加速度芯片及寬溫輸入的溫度采集芯片；可選擇RS485通信或USB通信接口方式，方便工業(yè)場(chǎng)合組網(wǎng)應(yīng)用；產(chǎn)品可連續(xù)監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)達(dá)5年以上；采用工業(yè)IP67鋁外殼，適應(yīng)高溫強(qiáng)振等惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。
WTSXXXX系列物聯(lián)網(wǎng)振動(dòng)傳感器主要安裝在各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的電機(jī)、齒輪、軸承等上面，因其高性能的振動(dòng)采集特性，使產(chǎn)品可用于各種工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，特別適合于各種減速機(jī)、空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、汽輪機(jī)、機(jī)床等旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的電機(jī)不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)、齒輪和軸承的早期瑕疵，并準(zhǔn)確診斷出故障問題及原因。
