当前位置:首页 > 模拟 > ADI
[导读]状态监控(CbM)是一种预测性维护方式,其利用各种传感器来评估设备随时间的运行状态。

电路功能与优势

状态监控(CbM)是一种预测性维护方式,其利用各种传感器来评估设备随时间的运行状态。收集的传感器数据用于建立基线趋势,从而帮助诊断甚至预测故障。与传统的定期预防性维护模式相比,利用CbM可以在需要时进行维护,时间和成本都能得到节省。

振动监测是一种常见类型的CbM测量。振动趋势的变化常常是反映磨损或其他故障模式的指标。为了测量振动数据,高带宽(10 kHz或更高)、超低噪声(100 µg/√Hz或更低)MEMS加速度计是一种经济高效且可靠的选择。

有些应用将加速度计放在靠近支持电路的地方(位于同一电路板上,或位于板外并通过短电缆连接),而有些应用则要求加速度计与支持电路隔开一定距离,这会限制连接选择。MEMS加速度计的输出通常是模拟电压和/或数字式(通常使用串行外设接口(SPI)或I2C),二者都不适合驱动长电缆。虽然可以转换为高速数字接口(如USB)、低压数字信号(LVDS)或以太网,但额外的功耗、尺寸和成本使这种方案不切实际。

相比之下,模拟电流环路数据传输(如4 mA至20 mA工业标准)具有良好的抗扰度、耐受电磁干扰(EMI)环境的鲁棒性、高带宽以及长达20米的有线数据传输能力,同时电路板上只需使用几个器件。此外,几乎所有传统工业数据采集(DAQ)系统都支持4 mA至20 mA信号标准,而且该标准很容易适应现代工业4.0智能传感器节点。

10 kHz MEMS加速度计,提供4 mA至20 mA输出,适合状态监控应用

图1.EVAL-CN0533-EBZ简化电路图

电路描述

图1所示电路是一个MEMS加速度计振动检测解决方案的简化示意图,其电压输出被转换为4 mA至20 mA的模拟信号。

4 mA至20 mA电流环路和接口

自1950年代以来,4 mA至20 mA电流环路一直是工业模拟信号标准。该信号标准的主要优点是信号经长电缆传输时几乎无衰减,因而在工业和工厂等易产生EMI的环境中,其鲁棒性更高。相反,如果使用电压输出,由于电缆有电阻,长电缆(大于10米)会产生压降,导致传感器数据丢失和读数不正确。

图1所示的参考设计由单轴ADXL1002 MEMS加速度计组成,其模拟电压输出由AD5749电压至电流转换器转换为4 mA至20 mA信号标准。AD5749输入(VIN)摆幅为0 V至4.096 V,而ADXL1002模拟输出电压(VOUT)摆幅为0 V至VDD,故VDD必须设置为4.096 V。因此,选择LT6654AMPS6-4.096来提供4.096 V电压,其在-55°C至125°C的温度范围内的温度稳定性为10 ppm/°C。在VOUT和VIN之间放置一个−3 dB带宽为36 kHz的2极点RC低通滤波器。此滤波器用于限制宽带噪声并衰减来自ADXL1002内部时钟的200 kHz噪声分量;根据应用的DAQ电路的采样速率和滤波特性,该噪声可能会在带内混叠。

AD5749将ADXL1002电压输出信号直接转换为4 mA至20 mA的电流输出,对印刷电路板(PCB)尺寸的影响极小,并提供高达50 kHz的带宽和良好的抗扰度。

市场上的许多4 mA至20 mA驱动器由电流输出数模转换器(DAC)组成,需要SPI或I2C外部控制器。AD5749 4 mA至20 mA驱动器还有一个优势,那就是独立工作模式(硬件模式)。

在硬件模式下,HW_SELECT引脚设置为高电平。R0至R3和RSET引脚均接低电平,以将AD5749输出范围设置为4 mA至20 mA,这意味着无需外部微控制器来配置AD5749的输出范围。为了提高输出电流在整个温度范围内的稳定性,应在REXT1和REXT2引脚之间连接一个外部低漂移电阻。

DAQ前端电路(未包括)仅需要一个电流至电压(I-V)转换放大器。互阻抗(I-V电阻)必须根据DAQ前端电路的输入范围设置。

图2显示了手动摇动时电路的电流输出(IOUT)例子(黑线)。0 g水平对应IOUT中间范围,对于4 mA至20 mA配置,其为12 mA。满量程范围(FSR)也以灰色虚线突出显示供参考。

10 kHz MEMS加速度计,提供4 mA至20 mA输出,适合状态监控应用

图2.响应加速度输入的电流输出和加速度

MEMS振动传感器优势

ADXL1002 MEMS加速度计具有超低噪声,噪声谱密度为25 µg/√Hz,支持宽带运行,3 dB带宽为11 kHz,传感器谐振频率为21 kHz。 ADXL1002在温度灵敏度、直流至低频响应、相位响应(因而群延迟)、耐冲击性和恢复性方面具有卓越的性能,其噪声水平和带宽可与压电传感器媲美。

该传感器的线性(±0.1% FSR内)测量范围为±50 g,足以支持各种CbM应用。与常规压电传感器相比,易于焊接的LFCSP封装使得很容易集成ADXL1002和周围电路。

ADXL1002为CbM应用提供一种低成本、高性能、具有出色长期可靠性的传感解决方案。这些独有特性支持CbM解决方案普遍采用MEMS振动传感器,在向工业4.0迈进的过程中拓宽智能技术的应用范围。

常见变化

根据应用要求,CN-0533电路可以支持其他单轴电压输出MEMS加速度计,例如ADXL1001、ADXL1003、ADXL1004和ADXL1005。低通滤波器的截止频率根据传感器谐振频率加以选择。

将5 V电源用于ADXL1002,并使用精密分压器将输出调整至4.096 V,然后输入AD5749,该电路即可实现加速度计数据手册所述的频谱噪声水平。

电路评估与测试

以下几节简要说明如何设置电路和机械安装、读取输出的方法以及期望的结果。

设备要求

需要以下设备:

• 一个4 mA至20 mA接收器(如National Instruments NI-9203)。请注意,可以用一个精确且温度稳定的电阻和一个电压DAQ系统代替电流DAQ。电阻值必须根据DAQ的输入电压范围确定。

• 电源(12 V至24 V)

• EVAL-CN0533-EBZ板

• EVAL-XLMOUNT1铝制安装模块

• 振动台或振动源

• 连接器和电缆

开始使用

了解和重新创建测试设置的基本步骤如下:

1. 将三根导线焊接到EVAL-CN0533-EBZ板的VCC、IOUT和GND焊盘。

2. 将EVAL-XLMOUNT1牢固地安装到振动器或振动平台上。

3. 将EVAL-CN0533-EBZ板安装到EVAL-XLMOUNT1并注意灵敏度方向。

4. 将VCC和GND连接至电源,将IOUT和GND连接至4 mA至20 mA接收器电路。

5. 在DAQ或振动测量设备上将加速度灵敏度设置为128 µA/g(ADXL1002的灵敏度可能因器件而略有不同;ADXL1002可以利用重力场或其他参考传感器轻松校准)。

电源配置

电路电源电压范围为12 V至55 V,最大电流消耗典型值为24 mA。

测试

为了验证电路在振动测量应用中的性能,该电路在ADI公司振动实验室中进行了测试。由于振动DAQ系统输入均为电压输入,因此使用了一个50Ω温度稳定且高精度的电阻来闭合电流环路,并通过电阻的压降来间接测量电路输出。该电路通过频率响应、噪声谱密度以及冲击和群延迟来刻画。每个测试的详细信息和结果如下所述。

频率响应测量

EVAL-CN0533-EBZ连接到铝块安装界面(EVAL-XLMOUNT1),并安装到振动台上,如图3所示。振动台产生100 Hz至30 kHz的受控机械振动,并具有固定的2 g加速度幅度。然后记录电路输出和振动参考(在这种情况下为激光多普勒振动计)。绘制的频率响应如图4所示,其与ADXL1002的转换函数一致。

10 kHz MEMS加速度计,提供4 mA至20 mA输出,适合状态监控应用

图3.利用EVAL-XLMOUNT1将EVAL-CN0533-EBZ安装到振动台上

10 kHz MEMS加速度计,提供4 mA至20 mA输出,适合状态监控应用

图4.频率响应

在这个及任何其他高频振动测试中,机械信号路径的完整性很重要。换句话说,从信号源到传感器,振动信号必须没有衰减(由于阻尼)或放大(由于谐振)。在这个例子中,铝块(EVAL-XLMOUNT1)、四个螺钉安装座和厚PCB保证了目标频率范围内机械响应的平坦性。

噪声谱密度

图5显示了传感器在−40°C至+ 105°C的不同温度水平下的噪声密度特性。结果表明,整个温度范围内的噪声密度变化比ADXL1002传感器IC略大。噪声密度升高的原因是,ADXL1002的电源电压为4.096 V,而非5V。电源电压的这种降低使频谱噪声密度增加约20%。选择4.096 V电源作为AD5749基准电压(VREF)和ADXL1002输出电压(VOUT)的共同来源,因此不存在两个电压电平不一致而产生的转换误差。

10 kHz MEMS加速度计,提供4 mA至20 mA输出,适合状态监控应用

图5.1 kHz时噪声密度与温度的关系

正弦波振动响应

图6显示了由EVAL-CN0533-EBZ采集的数据集示例,激励信号为10 kHz正弦振动,幅度为10 g(红色数据)。此测试中显示的参考传感器(图6中的蓝色数据)是激光多普勒振动计的加速度测量。EVAL-CN0533-EBZ相对于振动计的延迟约为20μs。

10 kHz MEMS加速度计,提供4 mA至20 mA输出,适合状态监控应用

图6.器件对10 g加速度正弦波激励信号的响应

冲击测试

该电路还进行了冲击曲线测试(参见图7)。冲击峰值加速度为10 g,宽度为500µs,形状为方波。请注意,ADXL1002 MEMS传感器可以用欠阻尼二阶系统建模,因此预期会有输出振铃。

在这种情况下,参考传感器为压电传感器(353C23型),具有一个谐振频率,特征群延迟为4 µs。请注意,参考传感器输出与ADXL1002的输出之间存在约25 µs的相位差。因此,电路的总群延迟约为21 µs。

10 kHz MEMS加速度计,提供4 mA至20 mA输出,适合状态监控应用

图7.10 g冲击曲线

本站声明: 本文章由作者或相关机构授权发布,目的在于传递更多信息,并不代表本站赞同其观点,本站亦不保证或承诺内容真实性等。需要转载请联系该专栏作者,如若文章内容侵犯您的权益,请及时联系本站删除。
换一批
延伸阅读

2024年3月26日 – 提供超丰富半导体和电子元器件™的业界知名新品引入 (NPI) 代理商贸泽电子 (Mouser Electronics) 即日起开售Melexis的MLX90830 Triphibian™ MEM...

关键字: 传感器 电动汽车 热管理系统 膨胀阀

传感器的原理基于将一种形式的信号或物理量转换为另一种可测量或可处理的信号。这通常涉及敏感元件和转换元件的协同工作。敏感元件负责感受或检测被测信号或物理量,如力、温度、光、声、化学成分等,而转换元件则将这些非电学量按照一定...

关键字: 传感器 敏感元件

香港 - Media OutReach Newswire - 2024年3月21日 - 全球领先的工程硬件解决方案供应商索斯科推出一款带内置式传感器和密封式电子驱动装置R4-50重载型电子转动式门锁,为旗下的转动式门锁系...

关键字: 转动式门锁 传感器

3月21日消息,近日,杭州镓仁半导体有限公司宣布,公司联合浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院、硅及先进半导体材料全国重点实验室。

关键字: 半导体 传感器 人工智能 电动汽车

【2024年3月21日,德国慕尼黑讯】英飞凌科技股份公司(FSE代码:IFX / OTCQX代码:IFNNY)近日宣布推出最新款蓝牙模块CYW20822-P4TAI040,在低功耗与覆盖范围等方面实现了新的突破,推动物联...

关键字: 蓝牙模块 智能家居 传感器

现在,OEM和一级供应商可以更轻松地获取价格合理且性能可靠的成像雷达传感器技术。恩智浦和赛恩领动联合开发的入门级量产4D成像雷达为这项技术提供了有力证明。

关键字: 4D成像雷达 传感器

中国,2024年3月20日,–全球领先的胶粘剂专家Bostik波士胶将在2024慕尼黑上海电子生产设备展(Productronica China 2024)上展示其针对消费电子行业的全系列创新工程胶粘剂解决方案。

关键字: 传感器 机器人 智能仓储

新的IEEE汽车以太网标准不断涌现,10BASE-T1S是最新的以太网标准之一。本文讨论汽车行业影响汽车电子/电气(E/E)架构变化的发展趋势,以及新10BASE-T1S标准如何支持和推动这种新架构的部署。

关键字: 以太网 汽车电子 传感器

新竹,台湾,2024年3月13日 -工业5.0注重智慧化、感测能力和高度自动化,代表着智慧工业领域的新一波革命,在这个背景下,工业自动化和物联网应用在多个领域对高精准、小型化传感器的需求不断增加。NuMicro M091...

关键字: 运算放大器 模拟数字转换器 传感器

为增进大家对MEMS微惯性导航的认识,本文将对MEMS微惯性导航的发展历史、MEMS微惯性导航的分类予以介绍。

关键字: MEMS 惯性导航 指数
关闭
关闭