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高性能MEMS振動センサーがモジュール化されたADcmXL3021とは

モーターやポンプ、それらを構成するベアリングやエンコーダ の状態基準保全(Condition-Based Monitoring, CbM)を実現するための重要な情報のひとつに「振動」があります。

振動を測定すれば電気的ノイズから機械的ノイズを分離することが容易になり、機械の状態に関する追加的な情報が得ることで診断精度が向上します。
また、診断精度向上とリアルタイム機械制御の改善には、センサー・サイズと全体的なフォーム・ファクタの小型化により、センサーを振動源に近づけることが有効です。

ここではアナログ・デバイスから提供される、標準的な機械ネジで設置できる高性能3軸MEMSセンサ ADcmXL3021の以下の3つの特徴について紹介します。

  1. 完全な振動検知システムにより状態基準保全の開発を加速
  2. 内蔵された組込み処理による多様な信号処理機能
  3. 状態基準保全を実現する高性能MEMS振動センサー

1. 完全な振動検知システムにより状態基準保全の開発を加速

ADcmXL3021は高性能の振動検知機能(MEMS加速度センサーを使用)と多様な信号処理機能を兼ね備える完全な振動検知システムです。

以下の特徴により状態基準保全システムにおけるスマート・センサー・ノードの開発をシンプルにします。

  • 動的環境でのパフォーマンスに最適化された、小型でマウント可能なフォームファクタ
  • 振動測定用のフル機能の信号調節
  • アプリケーションの前処理により、制御ループに注入されるデータフローを削減
  • 産業用ネットワーキングの柔軟性のためのSPIデータ出力
  • 産業用性能要件を満たす電気的および機械的テスト済み
高度に統合された振動検知システム
ADcmXL3021 機能ブロック図(出典:ADcmXL3021 データシートより抜粋)

2. 内蔵された組込み処理による多様な信号処理機能

ADcmXL3021は以下の組み込み処理を内蔵しています。処理されたデータにはシリアル・ペリフェラル・インターフェース(SPI)でアクセスが可能です。

  • 高速データ・サンプリング(220 kSPS)
  • 4096 のサンプル・レコード長
  • フィルタ処理
  • ウィンドウ処理
  • 高速フーリエ変換(FFT)
  • ユーザー設定が可能なスペクトル・アラーム
  • エラー・フラグ



これらの組み込み処理により、時間領域(Time Domain)や周波数領域(Frequency Domain)による情報の取得が可能になります。

 

時間領域と周波数領域

3. 状態基準保全を実現する高性能MEMS振動センサー

アナログ・デバイセズはインフラの老朽化監視にも使える超低ノイズな3軸加速度センサであるADXL354/355や超低ノイズ・広帯域の加速度センサ ADXL100xシリーズを提供していますが、ADcmXL3021も25 µg/√Hzという超低ノイズ密度により、優れた分解能をサポートします。
センシングの帯域は平坦性 5% で DC ~ 10 kHzと広く、多くの機器の主要な振動の特徴を追跡を可能にします。

 

 

ADcmXL3021の主な機能は以下になります。

  • 3 軸/デジタル出力の MEMS 振動センシング・モジュール
  • 測定範囲: ±50 g
  • 超低ノイズ密度、25 μg/√Hz
  • 広帯域幅: DC ~ 10 kHz(5% 平坦度)
  • 組み込みの高速データ・サンプリング220 kSPS
  • FIR フィルタ、32 タップ(係数)
    • ハイパス・フィルタのカットオフ周波数: 1 kHz、5 kHz、10 kHz
    • ローパス・フィルタのカットオフ周波数: 1 kHz、5 kHz、10 kHz
    • ユーザー設定が可能なフィルタ・バンク(32 個の係数)
  • FFT によるスペクトル解析
    • 長いレコード長: 各軸に 2048 のビン
    • 手動またはタイマーベース(自動)のトリガ
    • ウィンドウ・オプション: 長方形、ハニング、フラット・トップ
    • 複数レコードの平均化、最大 255 件のレコードを設定可能
    • スペクトルの定義されたアラーム監視、各軸に 6 個のアラーム
  • 統計指標の付いた時間領域のキャプチャ
    • 長いレコード長: 各軸に 4096 ポイント
    • 平均、標準偏差、ピーク、クレスト・ファクタ、歪度、尖度
  • リアルタイム・データ・ストリーミング: 各軸に 220 kSPS
    • CRC-16 エラー・チェック付きバースト・モード通信
  • 各軸に 10 個のデータ・レコード
  • ステータス・フラグのオンデマンド・セルフ・テスト
  • 外部駆動およびタイマー駆動のウェークアップ機能が付いたスリープ・モード
  • 温度と電力供給のデジタル測定
  • SPI 互換シリアル・インターフェース
  • 識別レジスタ: シリアル番号、デバイス ID、ユーザー ID
  • 単電源動作: 3.0 V ~ 3.6 V
  • 動作温度範囲: −40°C ~ +105°C
    • 125°C(ジャンクション温度)で自動停止
  • 23.7 mm × 26.7 mm × 12 mm のアルミニウム・パッケージ
    • 34.5 mm の柔軟な 14 ピン・コネクタ・インターフェース
ADcmXL3021のパッケージ

アプリケーション例

  • 振動分析
  • 状態基準保全システム
  • マシンの状態監視
  • 計測器および診断機能
  • 安全遮断の検出

     

アプリケーション例のイメージ

この「ADSP-CM408F EZ-Board」はARM Cortex-M4が搭載されているためマイクロプロセッサ評価ボードとしても使用可能です。

特に、

  • 浮動小数演算可能な 240Mhz ARM Cortex-M4
  • 高精度デュアル16ビットADC
  • 384KBのSRAMメモリ
  • 2Mバイトのフラッシュ・メモリ
  • CAN、SPI、UART、USB、イーサネット
  • 直交エンコーダ・インターフェース


を搭載しているためモータ制御の評価用だけでなく、他のアプリケーションにも使用することができます。

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ADCMXL3021BMLZ

メーカーサイト/その他関連リンクはこちら

https://www.analog.com/jp/products/adcmxl3021.html#product-overview
(ADcmXL3021の各種データはこちらからダウンロードいただけます)