狀態(tài)監(jiān)測中數字MEMS加速度計的混疊效應

作者：Anthony DeSimone and Siddharth Tallur

與現有的壓電加速度計相比，MEMS加速度計具有低成本、重量、功耗和易用性等特點，是工業(yè)機械基于振動的狀態(tài)監(jiān)測的有吸引力的候選者。這些功能允許設備制造商嵌入多個MEMS加速度計，以檢測機器各個部件中的振動信號，隨后通過識別偏離正常的振動模式來診斷異常和早期故障。雖然這些模式對于不同的機器和傳感器的安裝位置是獨一無二的，但該技術廣泛依賴于從加速度計感應到的振動頻譜中收集信息，并監(jiān)測振動音調頻率的變化、諧波的開始以及寬帶振動幅度的變化，特別是頻段 （1）。

使用帶數字輸出的加速度計時，設計人員必須考慮信號鏈中數字濾波器施加的帶寬限制，并且還要警惕高頻信號在給定輸出數據（采樣）速率下混疊到傳感器帶寬中。對于采樣率 S，由于折疊，頻率 f（其中 f < S/2）的振動信號與較高頻率 S/2 + f 的信號無法區(qū)分。在狀態(tài)監(jiān)測應用中，這可能導致對機械振動曲線的誤解。

例如，以ADXL355和ADXL354為例，這兩款加速度計旨在以極低噪聲進行高分辨率振動測量，以便通過無線傳感器網絡及早檢測結構缺陷。ADXL355中的內部數字濾波器會導致帶外頻率混疊，內容與加速度計帶寬內的頻率。例如，對于在 4 kHz ODR 下工作，高于奈奎斯特速率 （2 kHz） 的 1 kHz 頻率帶寬將出現混疊。這對于高于3 kHz的頻率尤其重要，該頻率將與加速度計（1 kHz）帶寬內的頻率混疊，從而導致對輸出的錯誤解釋。濾波器和傳感器諧振的組合導致混疊為1 kHz的3 kHz信號衰減~25 dB，如圖1所示?？紤]到R = ±8 g測量范圍，噪聲密度N = 25 μg/√Hz和帶寬BW = 1 kHz的加速度計的動態(tài)范圍為：

圖1.ADXL355輸出混疊與數字濾波引起的頻率的關系

3 kHz至3.9 kHz之間所有頻率的衰減小于動態(tài)范圍，因此混疊信號將大于加速度計本底噪聲。對于帶寬較小的應用，ADXL355可以通過對輸出進行數字濾波來使用，以將帶寬限制在較低頻率，從而使混疊信號的衰減高于應用所需的動態(tài)范圍。如果應用需要監(jiān)測振幅高于特定閾值的振動音，使得所需的動態(tài)范圍為30 dB（±8 g至±8 mg），則可以使用數字濾波器將帶寬限制為750 Hz（例如，4千訂購巴特沃茲濾波器）在輸出。如果應用中對混疊信號的衰減要求大于ADXL355的實際響應，建議改用ADXL354。由于ADXL354沒有任何內部數字濾波器，因此不會出現混疊現象。