MEMS振动传感器优势在哪里？
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 g／√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。
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。
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 g／√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
