10kHz MEMS加速度計,提供4mA至20mA輸出,適合狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用
發(fā)布時間:2021-03-15 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】狀態(tài)監(jiān)控(CbM)是一種預(yù)測性維護(hù)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(hù)模式相比,利用CbM可以在需要時進(jìn)行維護(hù),時間和成本都能得到節(jié)省。
電路功能與優(yōu)勢
狀態(tài)監(jiān)控(CbM)是一種預(yù)測性維護(hù)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(hù)模式相比,利用CbM可以在需要時進(jìn)行維護(hù),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(jì)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(dá)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(dá)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?;プ杩梗↖-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(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,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(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(jìn)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(xì)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(jī)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(jī)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(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(lán)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。
圖6.器件對10 g加速度正弦波激勵信號的響應(yīng)
沖擊測試
該電路還進(jìn)行了沖擊曲線測試(參見圖7)。沖擊峰值加速度為10 g,寬度為500µs,形狀為方波。請注意,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),具有一個諧振頻率,特征群延遲為4 µs。請注意,參考傳感器輸出與ADXL1002的輸出之間存在約25 µs的相位差。因此,電路的總?cè)貉舆t約為21 µs。
圖7.10 g沖擊曲線
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CN0533設(shè)計支持包:www.analog.com/CN0533-DesignSupport
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