測(cè)量交流加速度：校準(zhǔn)還是不校準(zhǔn)

對(duì)于傾角計(jì)等應(yīng)用，加速度計(jì)的直流響應(yīng)是目標(biāo)信號(hào)，因?yàn)閼?yīng)用需要檢測(cè)靜態(tài)加速度計(jì)輸出的微小變化。在大多數(shù)應(yīng)用中，例如平臺(tái)穩(wěn)定、井下定向鉆井、起重機(jī)穩(wěn)定系統(tǒng)，以及在建筑行業(yè)中用于道路平地機(jī)和測(cè)量設(shè)備的調(diào)平，傾斜度變化可以假設(shè)是準(zhǔn)靜態(tài)的，因?yàn)閮A斜變化所涉及的時(shí)間尺度通常遠(yuǎn)小于加速度計(jì)的帶寬。然而，在振動(dòng)監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）等應(yīng)用中，加速度計(jì)的交流響應(yīng)也變得很重要，因?yàn)槟繕?biāo)信號(hào)可能具有功率分布在很寬頻率范圍內(nèi)的頻譜。

由于振動(dòng)是周期性的，頻譜分析提供了一種表征振動(dòng)曲線（振動(dòng)、幅度和頻率之間的關(guān)系）的便捷方法。每個(gè)移動(dòng)設(shè)備都有自己的振動(dòng)曲線，頻譜音通常代表設(shè)備的自然共振頻率。了解加速度計(jì)的靈敏度頻率響應(yīng)，例如，靈敏度如何隨施加的輸入振動(dòng)頻率變化，對(duì)于將加速度計(jì)輸出的頻率內(nèi)容從電壓PSD [V/√Hz]縮放到加速度PSD [g/√Hz]是必要的。ADXL354和ADXL355是全新低噪聲、低功耗MEMS加速度計(jì)系列的一部分，支持結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等低振動(dòng)水平監(jiān)測(cè)應(yīng)用。本文討論了這些加速度計(jì)的交流響應(yīng)，以及在決定此類應(yīng)用中是否需要校準(zhǔn)加速度計(jì)輸出時(shí)應(yīng)考慮的因素。

影響交流響應(yīng)的因素

ADXL354和ADXL355加速度計(jì)均采用模擬低通抗混疊濾波器來降低帶外噪聲。模擬抗混疊濾波器是一個(gè)sinc3濾波器，提供大約1.5 kHz的固定帶寬（3 dB轉(zhuǎn)折）。這限制了ADXL354和ADXL355的帶寬，此外，還會(huì)濾除ADXL355內(nèi)部20位?-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的混疊噪聲。ADXL355還集成了一個(gè)額外的數(shù)字濾波器級(jí)，該級(jí)由一個(gè)低通抽取濾波器和一個(gè)可旁路高通濾波器組成。所有這些濾波器級(jí)的組合定義了這些器件的交流響應(yīng)。這些濾波器級(jí)可有效衰減ADXL354和ADXL355在3 dB轉(zhuǎn)折之外的靈敏度。ADXL354和ADXL355中使用的MEMS傳感器在X軸和Y軸上的諧振頻率約為2.5 kHz，在Z軸上的諧振頻率約為2.1 kHz，從而使傳感器諧振頻率周圍的靈敏度產(chǎn)生諧振增強(qiáng)。

交流靈敏度測(cè)量

執(zhí)行正弦掃描振動(dòng)測(cè)試以評(píng)估傳感器的頻率響應(yīng)。加速度計(jì)用螺栓固定在固定裝置上，并安裝在Unholtz-Dickie 20型振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)上。參考加速度計(jì)（PCB 320B14）與Endevco 133型信號(hào)調(diào)理器一起用于校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)。對(duì)于ADXL354，振動(dòng)研究VR9500用作振動(dòng)控制器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ADXL355 使用 NI PCI 7850R 作為 數(shù)據(jù) 采集 系統(tǒng)。正弦振動(dòng)信號(hào)的頻率從30 Hz掃描到5 kHz。在執(zhí)行測(cè)量后，加速度計(jì)的安裝會(huì)發(fā)生變化，以使不同的靈敏度軸與振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的振動(dòng)軸對(duì)齊。

ADXL354

這些器件在±8 g范圍內(nèi)工作，使用上一節(jié)中描述的設(shè)置，正弦振動(dòng)上的峰值激勵(lì)為1 g。ADXL354靈敏度的頻率響應(yīng)（歸一化為直流靈敏度）如圖1所示。從圖中可以推斷，由于模擬抗混疊濾波器，諧振增強(qiáng)和衰減的組合將平坦帶（與直流±5%的變化）限制在大約1.3 kHz。例如，X軸和Y軸的+3 dB頻率轉(zhuǎn)折，靈敏度是直流靈敏度的兩倍，約為2.1 kHz。Z軸傳感器的品質(zhì)因數(shù)低于X軸和Y軸傳感器，因此，在任何頻率下，交流靈敏度都不等于直流靈敏度的兩倍。Z軸傳感器的最大靈敏度是在其共振頻率下。

圖1.ADXL354靈敏度與振動(dòng)頻率的關(guān)系

ADXL355

使用上述設(shè)置，這些部件在±8 g范圍內(nèi)工作，正弦振動(dòng)的峰值激勵(lì)為5 g。對(duì)于4 kHz的ODR選擇，ADXL355靈敏度的頻率響應(yīng)如圖2所示。這些圖顯示了所有頻率下的靈敏度，歸一化為直流時(shí)的靈敏度。由于ADXL355中實(shí)現(xiàn)了額外的數(shù)字濾波，平坦帶寬受到用戶編程ODR（帶寬= ODR/4）的限制。在此處顯示的圖中，4 kHz的ODR選擇產(chǎn)生約1 kHz的–3 dB轉(zhuǎn)折。器件共振周圍頻率的振動(dòng)將遇到靈敏度的共振增強(qiáng)。

圖2.ADXL355靈敏度與振動(dòng)頻率的關(guān)系

校準(zhǔn)

ADXL354和ADXL355的直流靈敏度保證在標(biāo)稱值的±8%范圍內(nèi)。如果未校準(zhǔn)直流靈敏度，則直流加速度測(cè)量中的最大誤差為8%。如果需要更高的精度，可以通過對(duì)器件施加已知的輸入加速度，通過測(cè)量每個(gè)軸至少兩個(gè)值來實(shí)現(xiàn)直流靈敏度校準(zhǔn)。執(zhí)行此類校準(zhǔn)的最簡(jiǎn)單方法是沿每個(gè)軸將兩個(gè)方向（正和負(fù)）定向到1 g重力場(chǎng)。1

ADXL354中的交流靈敏度變化主要取決于諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的變化。這些參數(shù)的變化通常非常小，受過程變化的支配。多個(gè)器件的頻率變化通常小于2%，器件之間的Q變化通常小于10%。圖3顯示了兩個(gè)Q和諧振頻率差異很大的ADXL354器件（X軸）的比較?？够殳B濾波器與諧振的組合導(dǎo)致2 kHz時(shí)的歸一化交流靈敏度，兩個(gè)器件的歸一化交流靈敏度分別為1.63和1.74，相差約6%。因此，如果加速度計(jì)在2 kHz時(shí)檢測(cè)到100 m g的振動(dòng)，Q值較高，則另一個(gè)加速度計(jì)將報(bào)告與94 mg相同的信號(hào)。在特定頻率下振動(dòng)成分的絕對(duì)精度很重要的應(yīng)用中，建議使用精密振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行額外的交流校準(zhǔn)。

圖3.ADXL354器件間靈敏度變化與振動(dòng)頻率的關(guān)系

總之，校準(zhǔn)或不校準(zhǔn)加速度計(jì)的決定取決于感興趣的信號(hào)。適用于需要監(jiān)測(cè)絕對(duì)幅度的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用 振動(dòng)諧波頻率，需要額外的校準(zhǔn)。在旨在跟蹤自然振蕩、幅度和頻率的相對(duì)變化的應(yīng)用中，ADXL354和ADXL355加速度計(jì)可以與基線測(cè)量一起使用，無需額外校準(zhǔn)。

審核編輯：郭婷