在上篇文章《狀態監控中的MEMS加速度計, 您需要知道哪些》中, 介紹了微機電系統(MEMS)加速度計的多項特性, 它們使得該技術對狀態監控應用極具吸引力。 本文通過回顧一些資料來說明MEMS技術的發展狀況及性能水準, 並將其與商用壓電(PZT)狀態監控加速度計進行比較。
對MEMS工藝技術的投資加上設計創新, 已大大改善MEMS性能, 使得MEMS足以成為更廣泛狀態監控應用的可行選擇。 採用專門化MEMS結構和工藝技術, 現在已實現諧振頻率高達50 kHz、雜訊密度低至25 g/Hz的加速度計。 通過精心設計的信號調理電子電路, 可以充分發揮此類新型加速度計的低雜訊優勢。
圖1. 新型高頻加速度計的雜訊譜密度圖
性能和比較資料
為了評估最新MEMS加速度計是否適合狀態監控應用, 我們對其和一款商用PZT型狀態監控加速度計進行了對照測量。 為確保這兩種傳感器具有相似的品質並受到相同激勵信號作用,
電機未對準模擬
在振動測試儀上重建了一個實際場景, 例如在基於振動的狀態監控中所述的場景, 以便利用已知激勵信號比較器件。 本例展示了一台以5100 rpm (85 Hz)運轉的汽輪機和一台未對準的3000 rpm (50 Hz)同步發電機的振動水準。 該場景說明的是採用隨機振動測試模式時, 振動系統經程式設計所產生的頻率和振幅。 表1列出了兩個器件在目標頻率的振幅測量結果。
表1. 電機未對準模擬設定點
圖2顯示了21 kHz諧振頻率的MEMS加速度計和25 kHz諧振頻率的PZT感測器的頻譜測量結果。
圖2. PZT加速度計(上)和MEMS加速度計(下)的雜訊密度譜;在高達10 kHz時, 結果幾乎相同;主要差別在MEMS加速度計的低頻回應。
不同於PZT器件, MEMS器件具有低頻回應性能(可測量0.1 Hz時的1/f);對於風輪機等超低頻率機器,
圖3. 敲擊時兩個加速度計的回應比較
結語
相比於PZT感測器, 用模擬輸出直接驅動DAQ的MEMS感測器實現了很好的結果。 這表明, MEMS加速度計是輸出通道重新建構的新型狀態監控產品的合適候選器件, 尤其是它支援實現基於半導體器件(採用+5 V單電源供電)的全新概念, 例如無線智慧感測器。
表面上, 第一代加速度計具有高頻回應性能(22 kHz)和±70g、±250g、±500g的寬滿量程範圍(FSR), 似乎對此類應用有吸引力。 遺憾的是, 其雜訊水準高達4 mg/Hz, 這是大多數狀態監控應用不能接受的。 比較測試中使用的是第二代器件, 其雜訊比第一代器件降低了兩個數量級, 而功耗降至第一代的40%。 表2總結了兩代MEMS加速度計的性能比較結果, 並突出顯示了性能改進。
表2. 第一代和第二代MEMS加速度計針對狀態監控的關鍵規格比較
電氣信號調理經驗和高解析度MEMS加速度計發展的結合,促成MEMS加速度計的性能達到狀態監控應用的要求。低物理雜訊水準的高頻加速度計,配上高性能、低雜訊、高穩定性的信號處理設計技術,克服了以前妨礙MEMS提供與PZT狀態監控感測器相比擬的性能的根本限制。
並突出顯示了性能改進。表2. 第一代和第二代MEMS加速度計針對狀態監控的關鍵規格比較
電氣信號調理經驗和高解析度MEMS加速度計發展的結合,促成MEMS加速度計的性能達到狀態監控應用的要求。低物理雜訊水準的高頻加速度計,配上高性能、低雜訊、高穩定性的信號處理設計技術,克服了以前妨礙MEMS提供與PZT狀態監控感測器相比擬的性能的根本限制。