10 kHz MEMS加速度計，提供4 mA至20 mA輸出，適合狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用

2025China.cn 2021年03月12日

　　電路功能與優(yōu)勢

　　狀態(tài)監(jiān)控(CbM)是一種預(yù)測性維護方式，其利用各種傳感器來評估設(shè)備隨時間的運行狀態(tài)。收集的傳感器數(shù)據(jù)用于建立基線趨勢，從而幫助診斷甚至預(yù)測故障。與傳統(tǒng)的定期預(yù)防性維護模式相比，利用CbM可以在需要時進行維護，時間和成本都能得到節(jié)省。

　　振動監(jiān)測是一種常見類型的CbM測量。振動趨勢的變化常常是反映磨損或其他故障模式的指標(biāo)。為了測量振動數(shù)據(jù)，高帶寬(10 kHz或更高)、超低噪聲(100 μg/√Hz或更低)MEMS加速度計是一種經(jīng)濟高效且可靠的選擇。

　　有些應(yīng)用將加速度計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)用則要求加速度計與支持電路隔開一定距離，這會限制連接選擇。MEMS加速度計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)動長電纜。雖然可以轉(zhuǎn)換為高速數(shù)字接口(如USB)、低壓數(shù)字信號(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、高帶寬以及長達20米的有線數(shù)據(jù)傳輸能力，同時電路板上只需使用幾個器件。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。

圖1.EVAL-CN0533-EBZ簡化電路圖

　　電路描述

　　圖1所示電路是一個MEMS加速度計振動檢測解決方案的簡化示意圖，其電壓輸出被轉(zhuǎn)換為4 mA至20 mA的模擬信號。

　　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)模擬信號標(biāo)準(zhǔn)。該信號標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)點是信號經(jīng)長電纜傳輸時幾乎無衰減，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，長電纜(大于10米)會產(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)計由單軸ADXL1002 MEMS加速度計組成，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?3 dB帶寬為36 kHz的2極點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，該噪聲可能會在帶內(nèi)混疊。

　　AD5749將ADXL1002電壓輸出信號直接轉(zhuǎn)換為4 mA至20 mA的電流輸出，對印刷電路板(PCB)尺寸的影響極小，并提供高達50 kHz的帶寬和良好的抗擾度。

　　市場上的許多4 mA至20 mA驅(qū)動器由電流輸出數(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)動器還有一個優(yōu)勢，那就是獨立工作模式(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引腳之間連接一個外部低漂移電阻。

　　DAQ前端電路(未包括)僅需要一個電流至電壓(I-V)轉(zhuǎn)換放大器?；プ杩?I-V電阻)必須根據(jù)DAQ前端電路的輸入范圍設(shè)置。

　　圖2顯示了手動搖動時電路的電流輸出(IOUT)例子(黑線)。0 g水平對應(yīng)IOUT中間范圍，對于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振動傳感器優(yōu)勢

　　ADXL1002 MEMS加速度計具有超低噪聲，噪聲譜密度為25 μg/√Hz，支持寬帶運行，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、具有出色長期可靠性的傳感解決方案。這些獨有特性支持CbM解決方案普遍采用MEMS振動傳感器，在向工業(yè)4.0邁進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，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，該電路即可實現(xiàn)加速度計數(shù)據(jù)手冊所述的頻譜噪聲水平。

　　電路評估與測試

　　以下幾節(jié)簡要說明如何設(shè)置電路和機械安裝、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4 mA至20 mA接收器(如National Instruments NI-9203)。請注意，可以用一個精確且溫度穩(wěn)定的電阻和一個電壓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

　　? 振動臺或振動源

　　? 連接器和電纜

　　開始使用

　　了解和重新創(chuàng)建測試設(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牢固地安裝到振動器或振動平臺上。

　　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或振動測量設(shè)備上將加速度靈敏度設(shè)置為128 μA/g(ADXL1002的靈敏度可能因器件而略有不同;ADXL1002可以利用重力場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。

　　測試

　　為了驗證電路在振動測量應(yīng)用中的性能，該電路在ADI公司振動實驗室中進行了測試。由于振動DAQ系統(tǒng)輸入均為電壓輸入，因此使用了一個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。每個測試的詳細信息和結(jié)果如下所述。

　　頻率響應(yīng)測量

　　EVAL-CN0533-EBZ連接到鋁塊安裝界面(EVAL-XLMOUNT1)，并安裝到振動臺上，如圖3所示。振動臺產(chǎn)生100 Hz至30 kHz的受控機械振動，并具有固定的2 g加速度幅度。然后記錄電路輸出和振動參考(在這種情況下為激光多普勒振動計)。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安裝到振動臺上

圖4.頻率響應(yīng)

　　在這個及任何其他高頻振動測試中，機械信號路徑的完整性很重要。換句話說，從信號源到傳感器，振動信號必須沒有衰減(由于阻尼)或放大(由于諧振)。在這個例子中，鋁塊(EVAL-XLMOUNT1)、四個螺釘安裝座和厚PCB保證了目標(biāo)頻率范圍內(nèi)機械響應(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，因此不存在兩個電壓電平不一致而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差。

圖5.1 kHz時噪聲密度與溫度的關(guān)系

　　正弦波振動響應(yīng)

　　圖6顯示了由EVAL-CN0533-EBZ采集的數(shù)據(jù)集示例，激勵信號為10 kHz正弦振動，幅度為10 g(紅色數(shù)據(jù))。此測試中顯示的參考傳感器(圖6中的藍色數(shù)據(jù))是激光多普勒振動計的加速度測量。EVAL-CN0533-EBZ相對于振動計的延遲約為20μs。