本文通过与市场上可买到的压电（PZT）状态监测加速度计进行比较，回顾了展示MEMS技术发展状况和性能水平的数据。
MEMS工艺技术的投资与设计创新相结合，大大提高了MEMS的性能，足以使MEMS成为更广泛的状态监测应用的可行选择。与谐振频率高达50千赫，和噪声密度水平下降到25μ加速度计克 √Hz的是现在可以对专门的MEMS结构和工艺技术。信号调理电子设备的精心设计充分利用了这些新型加速度计的低布朗运动噪声。
性能和比较数据
为了评估最新的MEMS加速度计是否适用于状态监测应用，测量与市售的PZT型状态监测加速度计并行进行。为了确保两个传感器具有相似的质量并受到相同的刺激，MEMS传感器被粘附到PZT传感器的外壳上。MEMS加速度计的单电源模拟输出直接输入到与PZT传感器相同的数据记录器的模拟输入通道。数据采集仪器（DAQ）被用作这些实验的采集系统。
电动机失准模拟
在振动测试仪上重新创建了一个真实世界的场景，例如基于振动的状态监测中描述的场景，以比较使用已知刺激的设备。这个例子概述了运行在5100rpm（85Hz）的燃气轮机和运行未对准的3000rpm（50Hz）的同步发电机的振动水平。该场景描述了振动系统使用随机振动测试模式编程产生的频率和振幅。表1列出了两种设备的感兴趣频率下的幅度测量结果。
表1.电动机未对准模拟设定点
图2显示了对于21 kHz谐振频率的MEMS加速度计和25 kHz谐振的PZT传感器测得的结果频谱。MEMS加速度计在1 kHz至10 kHz范围内的均方根（rms）输出高于PZT加速度计约30 m g，即1.7％。
图2. PZT加速度计（顶部）和MEMS加速度计（底部）的噪声密度谱; 结果几乎相同，高达10 kHz，MEMS加速度计的低频响应具有重要差异。
与PZT器件不同，MEMS器件在0.1 Hz下具有1 / f的低频率响应，这对于非常低频率的机器（例如风力涡轮机（也使得能够更快地从饱和恢复）感兴趣）。由于振动刺激系统的频率响应以非常低的频率下降，因此通过“敲击”测试夹具并捕获所得响应来测试两个装置的响应。记录的时域测量然后被转换到频域。结果如图3所示。请注意，MEMS加速度计能够记录直流响应。
结论
模拟输出驱动DAQ的MEMS性能直接实现了与PZT传感器相媲美的良好结果。这表明，MEMS加速度计非常适合新型状态监测产品的重新构建输出通道，特别是可实现基于半导体元件的全新概念，这些概念可在单个+5 V电源上运行，例如无线智能传感器。
从表面上看，第一代加速度计对于这种应用显得很有吸引力，这是由于高频共振（22 kHz）和±70 g，±250 g和±500 g的高满量程范围（FSR）。不幸的是，噪声电平为4m 克 √Hz的，不可接受的高对于大多数状态监测的应用程序。对于比较中使用的第二代设备，噪声比第一代降低两个数量级，而功耗降低到40％。表2总结了两种MEMS 加速度计的性能对比，突出表现了性能的提高。
表2.用于状态监测的第一和第二个MEMS加速度计世代的主要规格比较
电子信号调理专业技术的融合以及高分辨率MEMS加速度计的发展使得性能能够服务于状态监测应用。具有低物理噪声水平的高频MEMS加速度计与高性能，低噪声和高度稳定的信号处理设计技术相结合，解决了以前使MEMS提供的性能与当代基于PZT的状态监测传感器相媲美的基本局限性。
参考
Randall，Robert B.基于振动的状态监测。Hoboken：John Wiley＆Sons，2011。
特别感谢Analog Devices的Juan Chong为本文提供的数据。
作者：Ed Spence
Ed Spence是ADI公司的Idustrial传感器业务部门的市场经理，负责高性能加速度计。ADI公司设计和制造高性能惯性传感器（加速度计，陀螺仪）以及高度集成的解决方案，例如惯性测量单元（IMU）。