Прецизионные акселерометры
с низким уровнем шума и малым дрейфом,
3
оси, интерфейсы USB или RS-485,
питание от USB,
программно
переключаемые диапазоны ускорений ±2g/±4g/±8g
Новый прецизионный
MEMS-акселерометр с низким уровнем шума и малым дрейфом
предназначен для измерения малых ускорений, обладает широким
динамическим диапазоном. Высокая чувствительность акселерометра позволяет
использовать его в том числе для сейсмоизмерений.
Прецизионные акселерометры с интерфейсом RS-485
Прецизионный акселерометр
RS-485 подключается к USB компьютера, он способен
передавать данные по кабелю длиной в несколько десятков метров.
В комплекте плата прецизионного
акселерометра и плата адаптера RS-485<>USB.
Питается прецизионный
акселерометр по USB от компьютера.
Габариты платы прецизионного
акселерометра 29х29мм, ее можно обрезать, получив круг
диаметром 29мм для размещения в представленном на
следующем фото корпусе:
Адаптер RS-485<>USB после распайки кабеля может
помещаться в термоусадочную трубку - получается прочный жесткий корпус.
Прецизионные акселерометры USB
прецизионный акселерометр
USB подключается к компьютеру стандартным кабелем USB
длиной до 1,8м,
питание по USB от компьютера..
Параметры и возможности прецизионного цифрового
акселерометра
с низким шумом.
В прецизионном
акселерометре с
низким уровнем шума (далее - акселерометр
8g) используется 20-разрядный
АЦП,
В предыдущих акселерометрах при работе в самом чувствительном диапазоне
±2g используется
10 разрядов АЦП.
Число диапазонов ускорения акселерометра
8g сокращено: ±2g/±4g/±8g
В акселерометре
используются три НЧ-фильтра:
- фиксированный аналоговый фильтр с частотой среза 1,5кГц, подавляющий
частоу выборки 4кГц,
- фиксированный цифровой фильтр,
- цифровой фильтр, частота среза которого зависит от частоты выборки.
Частота
выборки Fs, Гц
4000 2000 1000 500
250
125 62,5
31,25
15,625 7,8125
3,90625
Частота
среза фильтра НЧ, Гц 1000
500
250 125 62,5
31,25 15,625
7,8125 3,90625 1,953125
0,9765625
Для
устранения постоянной составляющей или подавления
медленно меняющегося ускорения предусмотрен фильтр
ВЧ, его
можно не включать - тогда в ускорении будет присутствовать постоянная
составляющая.
При включении ВЧ-фильтра его частота среза опрдеделяется как часть
частоты выборки Fs и может быть выбрана из ряда:
Частота
среза фильтра ВЧ: 0,00247*Fs 0,00062084*Fs
0,00015545*Fs 0,00003862*Fs 0,00000954*Fs
0,000002380000*Fs или 0 (фильтр отключен)
MEMS-акселерометры
работают от внутреннего тактового генератора, точность и стабильность
которого не высоки. Для продолжительной записи с привязкой к реальному
времени требуется тактирование от внешнего источника точной и
стабильной опорной частоты.
Акселерометр
8g может работать в режиме тактирования сигналом
от внешнего генератора.
Спектральная плотность шума 25 μg/√Гц
Результаты
тестирования прецизионного акселерометра.
Измерения малых
ускорений на качающемся калибраторе.
Качающийся
(маятниковый) калибратор представляет собой платформу на четырех
подвесах, длина подвесов 60см. При качке платформа остается в
горизонтальном положении. Основное ускорение создается в направлении
качания Присутствует также ускорение по вертикальной оси.
Ускорение измерялось прецизионным
акселерометром RS-485,
для подключения которого использовался кабель из тонких мягких
проводов, чтобы обеспечить минимальное затухание движения платформы.
Платформа
качалась без включения системы стабилизации, отклонение платформы
осценивалось визуально по линейке, поэтому особой точности в
результатах измерений нет.
ЩЕЛКНИТЕ
ПО ГРАФИКАМ, ЧТОБЫ ПРОСМОТРЕТЬ ИХ В КРУПНОМ МАСШТАБЕ.
Частота
выборки Fs=500Гц; отклонение платформы dX=60мм на 9-й секунде, dX=20мм
на 26с, dX=10мм 44с, dX=1мм в
конце; включен ВЧ-фильтр
0,078Гц, реализованный программно в микросхеме
прецизионного
акселерометра.
Справа на графике окно
приложения для расчета
ускорений,
создаваемых калибратором. В окне представлены значения отклонений
платформы, использовавшиеся при измерении, и
соответствующие значения ускорений по осям X и Z как в
единицах g,
так и в мм/с².
При частоте выборки 500Гц частота среза НЧ-фильтра в микросхеме
прецизионного
акселерометра вчетверо ниже, т.е., 125Гц.
При этих
параметрах ускорение в 16мм/с² (или 0,0016g) по оси X (соответствует отклонению
платформы 1мм в конце графика) измеряется прецизионным акселерометром
достаточно качественно - график не зашумлен, можно измерять
еще меньшие ускорения.
Приемлемое
качество измерения обеспечивается и при меньших ускорениях,
так,
при отклонении платформы 10мм по оси Z расчетное ускорение составляет 2,73мм/с²
(или 0,00028g).
На графике видны
искажения сигнала, определяемые несимметричным качанием платформы, шум,
который можно убрать обработкой.
Справа спектр, рассчитанный по приведенному участку графика.
В
правых верхних углах картинок со спектрами отображаются частота и
значение максимальной
спектральной составляющей.
Значение максимальной
спектральной составляющей 0,000283g близко к
расчетному Az=0,0002778g..
При частоте выборки
500Гц в диапазоне ±2g прецизионный акселерометр
неплохо преобразует ускорение амплитудой 0,0002g или 2мм/с/с.
Пара
следующих графиков дает возможность сравнить соотношение сигнал/шум в
зависимости от частоты выборки при отклонении платформы около 1мм.
Частота выборки для левого графика 125Гц и 500Гц для правого:
Частота выборки 125Гц соответствует частоте среза 31,25Гц НЧ-фильтра прецизионного акселерометра.
Такой НЧ-фильтр подавляет частоту 50Гц, что требуется при сейсмических
измерениях на промышленных объектах, где, например, вентиляционное
оборудование может создавать сильный шум на частоте 50Гц и ее
гармониках.
Снижение верхней
граничной частоты
диапазона в N
раз снижает шум в √N
раз,
Частота выборки прецизионного
акселерометра в 4 раза выше верхней граничной
частоты,
значит,
уменьшение частоты выборки с 500Гц до 125Гц снизит уровень
шума в
2 раза, что подтверждается парой последних графиков.
Эта зависимоть шума от частоты позволяет оценить минимальное измеряемое
ускорение при разной частоте выборки.
Пример:
Ускорение
качающегося калибратора изменяется с частотой 0,64Гц, для получнеия
удовлетворительного разрещения по времени можно снизить частоту выборки
в 16 раз до 31,25Гц. Тогда шум снизится в 4 раза, а один период сигнала будет
представлен 31,25 / 0,64 = 49-ю выборками. .
Значит, при
частоте выборки 31,25Гц в диапазоне ±2g прецизионный
акселерометр сможет преобразовывать ускорение амплитудой
0,00005g или 0,5мм/с/с с таким же разрешением по
амплитуде, как ускорение 0,0002g при частоте выборки 500Гц.
Замечание:
не путать описанное выше разрешение акселерометра для оценки сигнала с
разрешением используемого в нем АЦП:
20-разрядный АЦП прецизионного акселерометра в диапазоне ±2g обеспечивает
разрешение (2g - ( -2g)) / 2^20 =
0,0000038g,
но
из-за шума, зависящего от верхней граничной частоты
диапзаона, можно различить лишь существенно более сильный
сигнал.
Измерение шума.
В документации на акселерометры встречается среднеквадратичное значение
уровня шума при частоте выборки 100Гц.
Для акселерометра
16g частота среза внутреннего фильтра НЧ при этом вдвое
ниже, 50Гц.
Для акселерометра
8g ближайшая частота среза 62,5Гц определяется частотой
выборки 250Гц.
Поэтому шум акселерометров измерялся при частотах выборки 100Гц
для акселерометра
16g и 250Гц для акселерометра
8g.
ЩЕЛКНИТЕ
ПО ГРАФИКАМ, ЧТОБЫ ПРОСМОТРЕТЬ ИХ В КРУПНОМ МАСШТАБЕ.
Для сравнения: графики шума акселерометра
8g (слева) и акселерометра
16g по оси X в одном масштабе;
оба акселерометра регистрировали шумы в одинаковых условиях.
Графики шума акселерометра
8g.
Ось
X: размах от -0,000450g до 0.000200g
Ось Y: размах от
-0,000100g до
0.000700g
Ось Z:
размах от -0,000300g до 0.000600g
Графики шума акселерометра
16g.
Ось
X: размах от -0,010000g до 0.008000g
Ось Y: размах от
-0,012000g до
0.008000g
Ось Z:
размах от -0,020000g до 0.020000g
Параметры при выполнении измерений:
акселерометр
8g: частота выборки Fs=250Hz, частота среза НЧ-фильтра
Fs/4 = 62,5Гц
акселерометр
16g:
частота выборки Fs=100Hz, частота среза НЧ-фильтра Fs/2 = 50Гц
По графикам рассчитано среднеквадратичное значение шума:
акселерометр
8g
расчет по данным из тех.описания: 0,000025g/√Гц * √62,5Гц=
0,000197g - типовое значение *
измеренный
шум:
X:
0,000124g Y:
0,000157g Z: 0,000183g
**
акселерометр
16g:
расчет по данным из тех.описания: X,Y:
0,002930g
Z: 0,004300g
измеренный шум:
X:
0,003603g Y:
0,004277g Z: 0,007786g -измеренный. ***
отношение уровней шума акселерометра
16g
и акселерометра
8g по результатам измерения: (выигрыш акселерометра
8g по шумам):
X:
в 29 раз Y: в 27 раз
Z: в 43 раза
Примечания:
* в расчете по
спектральной плотности шума из тех описания акселерометра
8g
не учитывалась крутизна среза фильтра, она не указана в описании. В
худшем случае расчетный шум может возрасти на 25%., но измеренный шум
оказался меньше расчетного, т.е., здесь это не имеет значения.
**
для акселерометра
8g шум измерялся при частоте среза НЧ-фильтра 62,5Гц, что
больше среза в 50Гц для акселерометра
16g, т.е., уровень шума для среза 50Гц был
бы меньше.
*** измерения производились в домашних условиях
(акселерометр завернут в вату, лежит на подоконнике) с подключением к
стационарному компьютеру. В условиях развязанной платформы с
отсутствием городского фона и питанием от USB нетбука, работающего на
уккумуляторе, шумы акселерометра
16g были ниже расчетных, полученных по данным из
технического описания. Т.е., можно ожидать и снижения шума акселерометра
8g.
Возможна
доработка программного обеспечения по
предложениям заказчиков
Устройства для измерения, управления и контроля:
если следующие ссылки блокируются, воспользуйтесь VPN:
USB-АЦП 12
разрядов, частота
выборки 1МГц, память 0,5МБайт
USB-контроллер
8-ми
термопар/USB-АЦП 12 разрядов, 8 каналов, память 0,5МБайт
синхронный
USB-АЦП 4+4 канала,
входы ток/напряжение, переключаемые нагрузки для токовых входов, 12
разрядов, 0,5МБайт память
люксметр с USB-интерфейсом
колориметр
(измерение цвета
и
цветности)
прочие
устройства
