Tonos expuestos: efectos de aliasing en acelerómetros MEMS digitales en monitoreo de condición

Los acelerómetros MEMS son candidatos atractivos para el monitoreo de condiciones de máquinas industriales basadas en vibraciones, debido a su bajo costo, peso, potencia y facilidad de uso, en comparación con los acelerómetros piezoeléctricos existentes. Estas características permiten a los fabricantes de equipos integrar múltiples acelerómetros MEMS para detectar señales de vibración en varias partes de la maquinaria y luego diagnosticar anomalías y fallas tempranas mediante la identificación de patrones de vibración anormales. Aunque los patrones son únicos para diferentes máquinas y ubicaciones de montaje de los sensores, la técnica se basa en gran medida en la recopilación de información del espectro de frecuencia de las vibraciones detectadas por los acelerómetros y en el seguimiento del cambio en la frecuencia de los tonos de vibración, la aparición de armónicos y el cambio. en amplitud de vibración de banda ancha, especialmente bandas de frecuencia (1).

Cuando se utilizan acelerómetros con salida digital, los diseñadores deben tener en cuenta las limitaciones de ancho de banda impuestas por los filtros digitales en la cadena de la señal y también tener cuidado con las señales de alta frecuencia dentro del ancho de banda del sensor para que los datos consideren ciertas salidas (muestreo). Para una tasa de muestreo S, una señal en la frecuencia f (donde f < S/2) es indistinguible de una señal en una frecuencia más alta S/2 + f, debido al solapamiento. En aplicaciones de monitoreo de condición, el perfil de vibración de la máquina puede malinterpretarse.

Por ejemplo, considere ADXL355 y ADXL354, acelerómetros destinados a mediciones de vibraciones de alta resolución con muy bajo ruido para la detección temprana de defectos estructurales a través de redes de sensores inalámbricos. Los filtros digitales internos del ADXL355 crearán un alias de frecuencias fuera de banda, que están contenidas en frecuencias dentro de la banda de paso del velocímetro. En el caso de una operación ODR de 4 kHz, por ejemplo, un ancho de banda de frecuencias de 1 kHz por encima de la velocidad de Nyquist (2 kHz) experimentará aliasing. Esto es especialmente importante para las frecuencias superiores a 3 kHz, que se combinarán con frecuencias dentro del ancho de banda del velocímetro (1 kHz), lo que hará que la salida se malinterprete. La resonancia del filtro y el sensor da como resultado una atenuación de ~25 dB para la señal de 3 kHz alineada a 1 kHz, como se muestra en la Figura 1. Rango dinámico de aceleración con densidad de ruido N=25 μgramo/√hercios y ancho de banda BW = 1 kHz, considerando R = ±8 gramo rango de medición es:

La atenuación para todas las frecuencias entre 3 kHz y 3,9 kHz está por debajo del rango dinámico, por lo que la señal con alias será más alta que el piso de ruido de aceleración. En una aplicación donde un ancho de banda más pequeño es aceptable, el ADXL355 se puede usar filtrando digitalmente la salida para limitar el ancho de banda a bajas frecuencias, de modo que la atenuación de la señal con alias sea mayor que el rango dinámico requerido en la aplicación. Si la aplicación requiere el monitoreo de tonos de vibración de amplitud superior a un determinado umbral, de modo que el rango dinámico requerido sea de 30 dB (±8). gramo ±8 metrosgramo), el ancho de banda se puede limitar a 750 Hz utilizando un filtro digital (por ejemplo, 4^mi controlar el filtro Butterworth) en la salida. Si el requisito de atenuación en la solicitud de señales con alias es mayor que la respuesta real en el ADXL355, se recomienda utilizar el ADXL354 en su lugar. Dado que el ADXL354 no tiene filtro digital interno, no presenta aliasing.

Referencias

Nandi, S., HA Toliyat y X. Li. "Monitoreo de condición y diagnóstico de motores eléctricos: una revisión". Transacciones de conversión de energía IEEEVolumen 20, Número 4, pág. 719–729, diciembre de 2005.