【導(dǎo)讀】對(duì)MEMS工藝技術(shù)的投資加上設(shè)計(jì)創(chuàng)新，已大大改善MEMS性能，使得MEMS足以成為更廣泛狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用的可行選擇。采用專門化MEMS結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)，現(xiàn)在已實(shí)現(xiàn)諧振頻率高達(dá)50 kHz、噪聲密度低至25 μg/√Hz的加速度計(jì)。通過精心設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電子電路，可以充分發(fā)揮此類新型加速度計(jì)的低噪聲優(yōu)勢(shì)。
本文通過回顧一些數(shù)據(jù)來說明MEMS技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及性能水平，并將其與商用壓電(PZT)狀態(tài)監(jiān)控加速度計(jì)進(jìn)行比較。
對(duì)MEMS工藝技術(shù)的投資加上設(shè)計(jì)創(chuàng)新，已大大改善MEMS性能，使得MEMS足以成為更廣泛狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用的可行選擇。采用專門化MEMS結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)，現(xiàn)在已實(shí)現(xiàn)諧振頻率高達(dá)50 kHz、噪聲密度低至25 μg/√Hz的加速度計(jì)。通過精心設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電子電路，可以充分發(fā)揮此類新型加速度計(jì)的低噪聲優(yōu)勢(shì)。
圖1. 新型高頻加速度計(jì)的噪聲譜密度圖
性能和比較數(shù)據(jù)
為了評(píng)估最新MEMS加速度計(jì)是否適合狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用，我們對(duì)其和一款商用PZT型狀態(tài)監(jiān)控加速度計(jì)進(jìn)行了對(duì)照測(cè)量。為確保這兩種傳感器具有相似的質(zhì)量并受到相同激勵(lì)信號(hào)作用，我們將MEMS傳感器粘附于PZT傳感器的外殼。與PZT傳感器一樣，MEMS加速度計(jì)的單電源模擬輸出直接輸入到同一數(shù)據(jù)記錄儀的模擬輸入通道。一個(gè)數(shù)據(jù)采集儀(DAQ)用作這些實(shí)驗(yàn)的采集系統(tǒng)。
電機(jī)未對(duì)準(zhǔn)仿真
在振動(dòng)測(cè)試儀上重建了一個(gè)實(shí)際場(chǎng)景，例如在基于振動(dòng)的狀態(tài)監(jiān)控中所述的場(chǎng)景，以便利用已知激勵(lì)信號(hào)比較器件。本例展示了一臺(tái)以5100 rpm (85 Hz)運(yùn)轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)和一臺(tái)未對(duì)準(zhǔn)的3000rpm (50 Hz)同步發(fā)電機(jī)的振動(dòng)水平。該場(chǎng)景說明的是采用隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試模式時(shí)，振動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)編程所產(chǎn)生的頻率和振幅。表1列出了兩個(gè)器件在目標(biāo)頻率的振幅測(cè)量結(jié)果。
表1. 電機(jī)未對(duì)準(zhǔn)仿真設(shè)定點(diǎn)
圖2顯示了21 kHz諧振頻率的MEMS加速度計(jì)和25 kHz諧振頻率的PZT傳感器的頻譜測(cè)量結(jié)果。MEMS加速度計(jì)在1 Hz至1 kHz頻段中的均方根(rms)輸出要比PZT加速度計(jì)高出大約30 mg或1.7%。
圖2. PZT加速度計(jì)（上）和MEMS加速度計(jì)（下）的噪聲密度譜；在高達(dá)10 kHz時(shí)，結(jié)果幾乎相同；主要差別在MEMS加速度計(jì)的低頻響應(yīng)。
不同于PZT器件，MEMS器件具有低頻響應(yīng)性能（可測(cè)量0.1 Hz時(shí)的1/f）；對(duì)于風(fēng)輪機(jī)等超低頻率機(jī)器，需要關(guān)注此點(diǎn)（它還支持更快速地從飽和狀態(tài)恢復(fù)）。振動(dòng)激勵(lì)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)會(huì)在超低頻率時(shí)滾降，故通過“敲擊”試驗(yàn)裝置來測(cè)試兩個(gè)器件的響應(yīng)，并且捕捉響應(yīng)結(jié)果。記錄的時(shí)域測(cè)量結(jié)果隨后被轉(zhuǎn)換到頻域。結(jié)果如圖3所示。注意，MEMS加速度計(jì)能夠記錄低至DC的響應(yīng)。
圖3. 敲擊時(shí)兩個(gè)加速度計(jì)的響應(yīng)比較
結(jié)語
相比于PZT傳感器，用模擬輸出直接驅(qū)動(dòng)DAQ的MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)了很好的結(jié)果。這表明，MEMS加速度計(jì)是輸出通道重新建構(gòu)的新型狀態(tài)監(jiān)控產(chǎn)品的合適候選器件，尤其是它支持實(shí)現(xiàn)基于半導(dǎo)體器件（采用+5 V單電源供電）的全新概念，例如無線智能傳感器。
表面上，第一代加速度計(jì)具有高頻響應(yīng)性能(22 kHz)和±70 g、±250 g、±500 g的寬滿量程范圍(FSR)，似乎對(duì)此類應(yīng)用有吸引力。遺憾的是，其噪聲水平高達(dá)4 mg/√Hz，這是大多數(shù)狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用不能接受的。比較測(cè)試中使用的是第二代器件，其噪聲比第一代器件降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而功耗降至第一代的40%。表2總結(jié)了兩代MEMS加速度計(jì)的性能比較結(jié)果，并突出顯示了性能改進(jìn)。
表2. 第一代和第二代MEMS加速度計(jì)針對(duì)狀態(tài)監(jiān)控的關(guān)鍵規(guī)格比較
電氣信號(hào)調(diào)理經(jīng)驗(yàn)和高分辨率MEMS加速度計(jì)發(fā)展的結(jié)合，促成MEMS加速度計(jì)的性能達(dá)到狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用的要求。低物理噪聲水平的高頻加速度計(jì)，配上高性能、低噪聲、高穩(wěn)定性的信號(hào)處理設(shè)計(jì)技術(shù)，克服了以前妨礙MEMS提供與PZT狀態(tài)監(jiān)控傳感器相比擬的性能的根本限制。
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