MEMS加速計的參數應用和解讀

本文轉載自： Arrow Solution微信公眾號

加速度計能夠測量加速度、傾斜、振動或沖擊。振動監測可用于監測機器、設備或結構的健康狀況。在機器和設備運行過程中可以使用加速度傳感器采集機器和設備的振動數據并做數據分析使用。在振動監測應用中，最新的振動傳感器是基于MEMS技術。

MEMS加速計即基于一種基于MEMS技術的加速度計。在開始具體應用之前，我們需要MEMS加速度計的一些關鍵參數做出準確理解，明確其實際的含義，這樣才能幫助我們選出合適的加速度計。

靈敏度 表示傳感器每輸入一個加速度后傳感器的輸出變化量，靈敏度的基本單位為：mV/g或mV/(m/s2)，例如典型工業應用場景中，加速度計的靈敏度值一般為100mV/g，表示每收到“g”的加速度時，加速度傳感器的輸出都會線性變換100mV。在實際應用中，靈敏度通常會有一個公差，在公差范圍內是可以接受的。

一階模型

從一階數學模型角度來理解靈敏度，在一階模型中，我們用上圖圖中的數學模型來描述MEMS加速度計對線性加速度a(t)的響應y(t)；b是加速度計沒有加速度信號輸入時加速度計的輸出值，KA是比例因子，這也就是我們關注的靈敏度參數。

頻率響應 是描述靈敏度相對于的值，描述靈敏度在一定頻率范圍內的變化。在MEMS加速度計中，在不考慮安裝等因素，影響頻率響應的因素主要有兩個：(1) 加速度計的機械響應，可以理解為加速度計固有的頻率；(2) 諧振頻率信號鏈路的濾波響應，濾波器頻率。

如上圖所示，用ADXL356的X軸頻率響應舉例，諧振頻率大概在5500Hz左右，可以用來表征諧振頻率。

ADXL356的兩個濾波器

ADXL356有兩個濾波器，內部濾波器截止頻率為1.5kHz，外部濾波器截止頻率可以根據片上電阻配合外部濾波電容來設置。傳感器的機械響應會引入某些增益，在諧振頻率處增益最大，對于ADXL356而言，在2kHz左右到諧振頻率會相應的引入增益，雖然ADXL356內部濾波器會衰減輸出響應，兩者結合起來，整體上ADL356的截止頻率到2.4kHz。如下圖手冊中描述。

測量范圍 表示MEMS加速度計最大可以測量的加速度范圍。動態加速度計具有與測量電壓相關的測量范圍，例如最大振動輸出電壓為5V，對于100mV/g的傳感器而言，測量范圍為50g。另外測量范圍也與頻率有一定關系，我們知道傳感器的機械響應會引入某種響應增益，增益響應的峰值出現在諧振頻率時。對于ADXL356，從頻率響應的圖中可以看到，在5.5kHz處增益峰值約為4倍，所以測量范圍由±40g變為±10g。因為靈敏度和測量范圍會變化的原因，多數振動監測應用會將測量的最大頻率限制在遠低于諧振頻率范圍內，保證測量精度。正確理解MEMS加速度計的關鍵參數是正確應用的基礎，如果錯誤理解參數含義就可能在應用中選擇了不合適的器件或引入了潛在測量誤差。

審核編輯 黃宇