状态监测中数字MEMS加速度计的混叠效应

作者：Anthony DeSimone and Siddharth Tallur

与现有的压电加速度计相比，MEMS加速度计具有低成本、重量、功耗和易用性等特点，是工业机械基于振动的状态监测的有吸引力的候选者。这些功能允许设备制造商嵌入多个MEMS加速度计，以检测机器各个部件中的振动信号，随后通过识别偏离正常的振动模式来诊断异常和早期故障。虽然这些模式对于不同的机器和传感器的安装位置是独一无二的，但该技术广泛依赖于从加速度计感应到的振动频谱中收集信息，并监测振动音调频率的变化、谐波的开始以及宽带振动幅度的变化，特别是频段 （1）。

使用带数字输出的加速度计时，设计人员必须考虑信号链中数字滤波器施加的带宽限制，并且还要警惕高频信号在给定输出数据（采样）速率下混叠到传感器带宽中。对于采样率 S，由于折叠，频率 f（其中 f < S/2）的振动信号与较高频率 S/2 + f 的信号无法区分。在状态监测应用中，这可能导致对机械振动曲线的误解。

例如，以ADXL355和ADXL354为例，这两款加速度计旨在以极低噪声进行高分辨率振动测量，以便通过无线传感器网络及早检测结构缺陷。ADXL355中的内部数字滤波器会导致带外频率混叠，内容与加速度计带宽内的频率。例如，对于在 4 kHz ODR 下工作，高于奈奎斯特速率 （2 kHz） 的 1 kHz 频率带宽将出现混叠。这对于高于3 kHz的频率尤其重要，该频率将与加速度计（1 kHz）带宽内的频率混叠，从而导致对输出的错误解释。滤波器和传感器谐振的组合导致混叠为1 kHz的3 kHz信号衰减~25 dB，如图1所示。考虑到R = ±8 g测量范围，噪声密度N = 25 μg/√Hz和带宽BW = 1 kHz的加速度计的动态范围为：

图1.ADXL355输出混叠与数字滤波引起的频率的关系

3 kHz至3.9 kHz之间所有频率的衰减小于动态范围，因此混叠信号将大于加速度计本底噪声。对于带宽较小的应用，ADXL355可以通过对输出进行数字滤波来使用，以将带宽限制在较低频率，从而使混叠信号的衰减高于应用所需的动态范围。如果应用需要监测振幅高于特定阈值的振动音，使得所需的动态范围为30 dB（±8 g至±8 mg），则可以使用数字滤波器将带宽限制为750 Hz（例如，4千订购巴特沃兹滤波器）在输出。如果应用中对混叠信号的衰减要求大于ADXL355的实际响应，建议改用ADXL354。由于ADXL354没有任何内部数字滤波器，因此不会出现混叠现象。