MEMS加速度計性能成熟

本文回顧了展示MEMS技術發展和性能水平的數據，將其與市售壓電（PZT）狀態監測加速度計進行比較。

對MEMS工藝技術的投資，加上設計創新，極大地提高了MEMS性能，足以使MEMS成為更廣泛的狀態監測應用的可行選擇?，F在，通過專門的MEMS結構和工藝技術，可以提高諧振頻率高達50 kHz，噪聲密度水平低至25 μg √Hz的加速度計。信號調理電子元件的精心設計充分利用了這些新型加速度計的低布朗運動噪聲。

圖1.新型高頻加速度計的噪聲頻譜密度圖。

性能和比較數據

為了評估最新的MEMS加速度計是否適合狀態監測應用，測量與市售的PZT型狀態監測加速度計并行進行。為了確保兩個傳感器具有相似的質量并受到相同的刺激，MEMS傳感器被粘附在PZT傳感器的情況下。MEMS加速度計的單電源模擬輸出直接輸入到與PZT傳感器相同的數據記錄器的模擬輸入通道中。數據采集儀器（DAQ）被用作這些實驗的采集系統。

電機錯位仿真

在振動測試儀上重現了真實場景，例如基于振動的狀態監測中描述的場景，以比較使用已知刺激的設備。此示例概述了以 5100 rpm （85 Hz） 運行的燃氣輪機和以 3000 rpm （50 Hz） 運行的同步發電機未對準的振動水平。該場景描述了使用隨機振動測試模式對振動系統進行編程以產生的頻率和振幅。表1列出了兩種器件在目標頻率下的幅度測量結果。

表 1.電機未對中模擬設定點

圖2顯示了諧振頻率為21 kHz的MEMS加速度計和諧振頻率為25 kHz的PZT傳感器測量的結果頻譜。MEMS加速度計在1 kHz至10 kHz頻段內的均方根（rms）輸出比PZT加速度計高約30 mg，即1.7%。

圖2

圖2.PZT加速度計（上）和MEMS加速度計（下）的噪聲密度譜;在高達10 kHz時，結果幾乎相同，但MEMS加速度計的低頻響應存在關鍵差異。

與PZT器件不同，MEMS器件具有低頻響應，在0.1 Hz時為1/f，這對于風力渦輪機等極低頻機器（也可以更快地從飽和中恢復）感興趣。由于振動激勵系統的頻率響應在非常低的頻率下滾落，因此通過“敲擊”測試夾具并捕獲由此產生的響應來測試兩個設備的響應。然后將記錄的時域測量轉換為頻域。結果如圖 3 所示。請注意，MEMS加速度計能夠記錄低至直流的響應。

圖3.兩個加速度計在點擊時的響應比較。

結論

模擬輸出直接驅動DAQ的MEMS性能可與PZT傳感器相媲美。這表明MEMS加速度計非常適合重新構建狀態監測產品的輸出通道，特別是基于+5 V單電源供電的半導體元件（如無線智能傳感器）的全新概念。

從表面上看，第一代加速度計似乎對這種應用很有吸引力，因為它具有高頻諧振（22 kHz）和±70 g、±250 g和±500 g的高滿量程范圍（FSR）。不幸的是，噪聲水平為4 mg√Hz，對于大多數狀態監測應用來說，這是不可接受的高。對于比較中使用的第二代器件，噪聲比第一代降低了兩個數量級，而功率降低到40%。表2總結了兩款MEMS
加速度計的性能比較，重點介紹了性能的改進。

表 2.用于狀態監測的第一代和第二代MEMS加速度計的主要規格比較

電子信號調理專業知識的融合和高分辨率MEMS加速度計的開發使性能能夠服務于狀態監測應用。具有低物理噪聲水平的高頻MEMS加速度計，加上高性能、低噪聲和高穩定性的信號處理設計技術，解決了以前使MEMS無法提供與當代基于PZT的狀態監測傳感器相媲美的性能的基本限制。

審核編輯：郭婷