作者：Anthony DeSimone and Siddharth Tallur

與現(xiàn)有的壓電加速度計(jì)相比，MEMS加速度計(jì)具有低成本、重量、功耗和易用性等特點(diǎn)，是工業(yè)機(jī)械基于振動(dòng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)的有吸引力的候選者。這些功能允許設(shè)備制造商嵌入多個(gè)MEMS加速度計(jì)，以檢測(cè)機(jī)器各個(gè)部件中的振動(dòng)信號(hào)，隨后通過識(shí)別偏離正常的振動(dòng)模式來診斷異常和早期故障。雖然這些模式對(duì)于不同的機(jī)器和傳感器的安裝位置是獨(dú)一無二的，但該技術(shù)廣泛依賴于從加速度計(jì)感應(yīng)到的振動(dòng)頻譜中收集信息，并監(jiān)測(cè)振動(dòng)音調(diào)頻率的變化、諧波的開始以及寬帶振動(dòng)幅度的變化，特別是頻段 （1）。

使用帶數(shù)字輸出的加速度計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮信號(hào)鏈中數(shù)字濾波器施加的帶寬限制，并且還要警惕高頻信號(hào)在給定輸出數(shù)據(jù)（采樣）速率下混疊到傳感器帶寬中。對(duì)于采樣率 S，由于折疊，頻率 f（其中 f < S/2）的振動(dòng)信號(hào)與較高頻率 S/2 + f 的信號(hào)無法區(qū)分。在狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，這可能導(dǎo)致對(duì)機(jī)械振動(dòng)曲線的誤解。

例如，以ADXL355和ADXL354為例，這兩款加速度計(jì)旨在以極低噪聲進(jìn)行高分辨率振動(dòng)測(cè)量，以便通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及早檢測(cè)結(jié)構(gòu)缺陷。ADXL355中的內(nèi)部數(shù)字濾波器會(huì)導(dǎo)致帶外頻率混疊，內(nèi)容與加速度計(jì)帶寬內(nèi)的頻率。例如，對(duì)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(xiàn)混疊。這對(duì)于高于3 kHz的頻率尤其重要，該頻率將與加速度計(jì)（1 kHz）帶寬內(nèi)的頻率混疊，從而導(dǎo)致對(duì)輸出的錯(cuò)誤解釋。濾波器和傳感器諧振的組合導(dǎo)致混疊為1 kHz的3 kHz信號(hào)衰減~25 dB，如圖1所示。考慮到R = ±8 g測(cè)量范圍，噪聲密度N = 25 μg/√Hz和帶寬BW = 1 kHz的加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍為：

圖1.ADXL355輸出混疊與數(shù)字濾波引起的頻率的關(guān)系

3 kHz至3.9 kHz之間所有頻率的衰減小于動(dòng)態(tài)范圍，因此混疊信號(hào)將大于加速度計(jì)本底噪聲。對(duì)于帶寬較小的應(yīng)用，ADXL355可以通過對(duì)輸出進(jìn)行數(shù)字濾波來使用，以將帶寬限制在較低頻率，從而使混疊信號(hào)的衰減高于應(yīng)用所需的動(dòng)態(tài)范圍。如果應(yīng)用需要監(jiān)測(cè)振幅高于特定閾值的振動(dòng)音，使得所需的動(dòng)態(tài)范圍為30 dB（±8 g至±8 mg），則可以使用數(shù)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(yīng)用中對(duì)混疊信號(hào)的衰減要求大于ADXL355的實(shí)際響應(yīng)，建議改用ADXL354。由于ADXL354沒有任何內(nèi)部數(shù)字濾波器，因此不會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。