MEMS加速度计性能已经达到何种程度？

本文介绍了微机电系统(MEMS)加速度计的多项特性，它们使得该威廉希尔官方网站 对状态监控应用极具吸引力。本文通过回顾一些数据来说明MEMS威廉希尔官方网站 的发展状况及性能水平，并将其与商用压电(PZT)状态监控加速度计进行比较。

对MEMS工艺威廉希尔官方网站 的投资加上设计创新，已大大改善MEMS性能，使得MEMS足以成为更广泛状态监控应用的可行选择。采用专门化MEMS结构和工艺威廉希尔官方网站 ，现在已实现谐振频率高达50 kHz、噪声密度低至25 g/Hz的加速度计。通过精心设计的信号调理电子电路，可以充分发挥此类新型加速度计的低噪声优势。

图1. 新型高频加速度计的噪声谱密度图

性能和比较数据

为了评估最新MEMS加速度计是否适合状态监控应用，我们对其和一款商用PZT型状态监控加速度计进行了对照测量。为确保这两种传感器具有相似的质量并受到相同激励信号作用，我们将MEMS传感器粘附于PZT传感器的外壳。与PZT传感器一样，MEMS加速度计的单电源interwetten与威廉的赔率体系 输出直接输入到同一数据记录仪的模拟输入通道。一个数据采集仪(DAQ)用作这些实验的采集系统。

电机未对准仿真

在振动测试仪上重建了一个实际场景，例如在基于振动的状态监控中所述的场景，以便利用已知激励信号比较器件。本例展示了一台以5100 rpm (85 Hz)运转的汽轮机和一台未对准的3000 rpm (50 Hz)同步发电机的振动水平。该场景说明的是采用随机振动测试模式时，振动系统经编程所产生的频率和振幅。表1列出了两个器件在目标频率的振幅测量结果。

表1. 电机未对准仿真设定点

图2显示了21 kHz谐振频率的MEMS加速度计和25 kHz谐振频率的PZT传感器的频谱测量结果。MEMS加速度计在1 Hz至1 kHz频段中的均方根(rms)输出要比PZT加速度计高出大约30 mg或1.7%。

图2. PZT加速度计（上）和MEMS加速度计（下）的噪声密度谱；在高达10 kHz时，结果几乎相同；主要差别在MEMS加速度计的低频响应。

不同于PZT器件，MEMS器件具有低频响应性能（可测量0.1 Hz时的1/f）；对于风轮机等超低频率机器，需要关注此点（它还支持更快速地从饱和状态恢复）。振动激励系统的频率响应会在超低频率时滚降，故通过"敲击"试验装置来测试两个器件的响应，并且捕捉响应结果。记录的时域测量结果随后被转换到频域。结果如图3所示。注意，MEMS加速度计能够记录低至DC的响应。

图3. 敲击时两个加速度计的响应比较

结语

相比于PZT传感器，用模拟输出直接驱动DAQ的MEMS传感器实现了很好的结果。这表明，MEMS加速度计是输出通道重新建构的新型状态监控产品的合适候选器件，尤其是它支持实现基于半导体器件（采用+5 V单电源供电）的全新概念，例如无线智能传感器。

表面上，第一代加速度计具有高频响应性能(22 kHz)和±70g、±250g、±500g的宽满量程范围(FSR)，似乎对此类应用有吸引力。遗憾的是，其噪声水平高达4 mg/Hz，这是大多数状态监控应用不能接受的。比较测试中使用的是第二代器件，其噪声比第一代器件降低了两个数量级，而功耗降至第一代的40%。表2总结了两代MEMS加速度计的性能比较结果，并突出显示了性能改进。

表2. 第一代和第二代MEMS加速度计针对状态监控的关键规格比较

电气信号调理经验和高分辨率MEMS加速度计发展的结合，促成MEMS加速度计的性能达到状态监控应用的要求。低物理噪声水平的高频加速度计，配上高性能、低噪声、高稳定性的信号处理英国威廉希尔公司网站 ，克服了以前妨碍MEMS提供与PZT状态监控传感器相比拟的性能的根本限制。