MEMS加速度计性能成熟

本文回顾了展示MEMS技术发展和性能水平的数据，将其与市售压电（PZT）状态监测加速度计进行比较。

对MEMS工艺技术的投资，加上设计创新，极大地提高了MEMS性能，足以使MEMS成为更广泛的状态监测应用的可行选择。现在，通过专门的MEMS结构和工艺技术，可以提高谐振频率高达50 kHz，噪声密度水平低至25 μg √Hz的加速度计。信号调理电子元件的精心设计充分利用了这些新型加速度计的低布朗运动噪声。

图1.新型高频加速度计的噪声频谱密度图。

性能和比较数据

为了评估最新的MEMS加速度计是否适合状态监测应用，测量与市售的PZT型状态监测加速度计并行进行。为了确保两个传感器具有相似的质量并受到相同的刺激，MEMS传感器被粘附在PZT传感器的情况下。MEMS加速度计的单电源模拟输出直接输入到与PZT传感器相同的数据记录器的模拟输入通道中。数据采集仪器（DAQ）被用作这些实验的采集系统。

电机错位仿真

在振动测试仪上重现了真实场景，例如基于振动的状态监测中描述的场景，以比较使用已知刺激的设备。此示例概述了以 5100 rpm （85 Hz） 运行的燃气轮机和以 3000 rpm （50 Hz） 运行的同步发电机未对准的振动水平。该场景描述了使用随机振动测试模式对振动系统进行编程以产生的频率和振幅。表1列出了两种器件在目标频率下的幅度测量结果。

表 1.电机未对中模拟设定点

 

音调 （#）	频率（赫兹）	级别 g pk
1	50.00	0.400
2	85.00	0.400
3	100.00	0.250
4	170.00	0.250

 

图2显示了谐振频率为21 kHz的MEMS加速度计和谐振频率为25 kHz的PZT传感器测量的结果频谱。MEMS加速度计在1 kHz至10 kHz频段内的均方根（rms）输出比PZT加速度计高约30 mg，即1.7%。

图2

图2.PZT加速度计（上）和MEMS加速度计（下）的噪声密度谱;在高达10 kHz时，结果几乎相同，但MEMS加速度计的低频响应存在关键差异。

与PZT器件不同，MEMS器件具有低频响应，在0.1 Hz时为1/f，这对于风力涡轮机等极低频机器（也可以更快地从饱和中恢复）感兴趣。由于振动激励系统的频率响应在非常低的频率下滚落，因此通过“敲击”测试夹具并捕获由此产生的响应来测试两个设备的响应。然后将记录的时域测量转换为频域。结果如图 3 所示。请注意，MEMS加速度计能够记录低至直流的响应。

图3.两个加速度计在点击时的响应比较。

结论

模拟输出直接驱动DAQ的MEMS性能可与PZT传感器相媲美。这表明MEMS加速度计非常适合重新构建状态监测产品的输出通道，特别是基于+5 V单电源供电的半导体元件（如无线智能传感器）的全新概念。

从表面上看，第一代加速度计似乎对这种应用很有吸引力，因为它具有高频谐振（22 kHz）和±70 g、±250 g和±500 g的高满量程范围（FSR）。不幸的是，噪声水平为4 mg√Hz，对于大多数状态监测应用来说，这是不可接受的高。对于比较中使用的第二代器件，噪声比第一代降低了两个数量级，而功率降低到40%。表2总结了两款MEMS
加速度计的性能比较，重点介绍了性能的改进。

表 2.用于状态监测的第一代和第二代MEMS加速度计的主要规格比较

 

	第一代加速度计	第二代加速度计
FSR	±70 克至 ±500 克	±50 克至 ±100 克
F0	22千赫	21千赫
电源电流	2.5毫安	1.0毫安
自检	是的	是的
温度范围	–40°C 至 +125°C	–40°C 至 +125°C
包	5 mm × 5 mm 8 引脚 LCC	5 mm × 5 mm、 32 引脚 LFCSP
噪声密度	4 米克 √赫兹	<30 μ克 √赫兹

 

电子信号调理专业知识的融合和高分辨率MEMS加速度计的开发使性能能够服务于状态监测应用。具有低物理噪声水平的高频MEMS加速度计，加上高性能、低噪声和高稳定性的信号处理设计技术，解决了以前使MEMS无法提供与当代基于PZT的状态监测传感器相媲美的性能的基本限制。

审核编辑：郭婷