图2.CM振动模式示例
系统要求
测量范围、频率范围(带宽)和分辨率是用来量化振动检测节点能力的三个常见特性。图2通过虚线矩形框显示了这些特性,其边界分别对应最低频率(fMIN)、最高频率(fMAX)、最小幅度(AMIN)和最大幅度(AMAX)。当考虑将MEMS加速度计用作振动检测节点中的核心传感器时,系统架构师很可能想在设计早期分析其频率响应、测量范围和噪声行为。有一些简单的技术可用来评估加速度计的各种特性,进而预判其是否满足指定的一组要求。很显然,系统架构师最终必须通过实际验证和鉴定来核验上述估计,但由对加速度计能力的早期分析和预测所得来的期望对这些工作是有价值的。
频率响应
图2提供了一个简单的一阶模型,其描述了时域中MEMS加速度计对线性加速度(a)的响应(y)。在该关系中,偏置(b)表示传感器无振动时的输出值。比例因子(KA)表示MEMS加速度计响应(y)相对于线性加速度(a)变化的改变量。
传感器的频率响应描述比例因子(KA)相对于频率的值。在MEMS加速度计中,频率响应主要有两个贡献因素:(1) 其机械结构的响应;(2) 其信号链中的滤波响应。等式3提供了一个通用二阶模型,其近似描述了MEMS加速度计机械部分对频率的响应。在该模型中,fO表示谐振频率,Q表示品质因数。
信号链的贡献常常取决于应用所需的滤波。某些MEMS加速度计使用单极点低通滤波器来帮助降低谐振频率时的响应增益。等式4为此类滤波器相关的频率响应(HSC)提供了一个通用模型。在该类滤波器模型中,截止频率(fC)表示输出信号幅度比输入信号低√2倍时的频率。
等式5将机械结构(HM)和信号链(HSC)的贡献进行了合并。
图3直接应用此模型来预测ADXL356(x轴)的频率响应。此模型假设标称谐振频率为5500 Hz,Q为17,使用截止频为1500 Hz的单极点低通滤波器。注意,等式5和等式4仅描述了传感器的响应。此模型未考虑加速度计与其监控的平台的耦合方式。