測量交流加速度該不該校準呢？

對于傾角儀等應(yīng)用，加速度計的直流響應(yīng)是感興趣的信號，因為應(yīng)用需要檢測靜態(tài)加速度計輸出的微小變化。在大多數(shù)應(yīng)用中，例如平臺穩(wěn)定，井下定向鉆井，起重機穩(wěn)定系統(tǒng)，以及在道路平地機和測量設(shè)備中進行平整的建筑行業(yè)中，傾斜度變化可以假設(shè)為準靜態(tài)，因為傾斜度變化涉及的時間尺度通常遠小于加速度計的帶寬。然而，在振動監(jiān)測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）等應(yīng)用中，加速度計的交流響應(yīng)也變得很重要，因為感興趣的信號可能具有功率分布在很寬頻率范圍內(nèi)的頻譜。

由于振動是周期性的，光譜分析提供了一種表征振動曲線（振動，幅度和頻率之間的關(guān)系）的便捷方法。每一塊移動設(shè)備都有自己的振動輪廓，光譜色調(diào)通常代表設(shè)備的固有共振頻率。知道加速度計的靈敏度的頻率響應(yīng)，例如，靈敏度如何隨施加的輸入振動的頻率而變化，有必要將加速度計輸出的頻率成分從電壓PSD [V /√Hz]縮放到加速度PSD [ g /√Hz]。 ADXL354和ADXL355是新型低噪聲，低功耗MEMS加速度計系列的一部分，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等低振動水平監(jiān)測應(yīng)用。本文討論了這些加速度計的交流響應(yīng)以及在決定在此類應(yīng)用中是否需要校準加速度計輸出時應(yīng)考慮的因素。

有助于AC響應(yīng)的因素

ADXL354和ADXL355加速度計使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sinc3濾波器，提供約1.5 kHz的固定帶寬（3 dB角）。這限制了ADXL354和ADXL355的帶寬，此外還濾除了ADXL355內(nèi)部20位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的混疊噪聲。 ADXL355還集成了一個額外的數(shù)字濾波器級，由低通抽取濾波器和可旁路高通濾波器組成。所有這些濾波器級的組合定義了這些裝置的交流響應(yīng)。這些濾波器級有效地衰減了ADXL354和ADXL355在3 dB角落之外的靈敏度。 ADXL354和ADXL355中使用的MEMS傳感器在X軸和Y軸上的共振頻率約為2.5 kHz，在Z軸上的共振頻率約為2.1 kHz，從而在傳感器的共振頻率附近產(chǎn)生靈敏度的共振增強。

交流靈敏度的測量

執(zhí)行正弦掃描振動測試以評估傳感器的頻率響應(yīng)。加速度計用螺栓固定在夾具上，并安裝在Unholtz-Dickie 20型振動篩系統(tǒng)上。參考加速度計（PCB 320B14）用于校準振動器激勵，以及Endevco 133型信號調(diào)節(jié)器。對于ADXL354，振動研究VR9500用作振動控制器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對于ADXL355，NI PCI 7850R用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。正弦振動信號的頻率從30Hz掃描到5kHz。在執(zhí)行測量以將不同的靈敏軸與振動器系統(tǒng)的振動軸對齊后，加速度計的安裝會發(fā)生變化。

ADXL354

零件在±8范圍內(nèi)運行 g 范圍，在正弦振動上具有1 g 峰值激勵，使用前一節(jié)中描述的設(shè)置。 ADXL354的靈敏度（歸一化為直流靈敏度）的頻率響應(yīng)如圖1所示。從圖中可以推斷，由于模擬抗混疊濾波器，共振增強和衰減的組合限制了平坦頻帶（直流±5％變化）至約1.3 kHz。 +3 dB頻率角，例如，靈敏度是直流靈敏度兩倍的頻率，對于X和Y軸大約為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，交流靈敏度不等于任何頻率下直流靈敏度的兩倍。 Z軸傳感器的最大靈敏度處于其共振頻率。

ADXL355

零件在±8 g 范圍內(nèi)運行使用上述設(shè)置，在正弦振動上具有5 g 峰值激勵。對于4 kHz的ODR選擇，ADXL355靈敏度的頻率響應(yīng)如圖2所示。該圖顯示了所有頻率的靈敏度，標準化為直流時的靈敏度。由于ADXL355中實現(xiàn)了額外的數(shù)字濾波，因此扁平帶寬受用戶編程的ODR（帶寬= ODR / 4）限制。在此處顯示的圖中，4 kHz的ODR選擇導(dǎo)致-3 dB角約為1 kHz。器件諧振周圍頻率的振動會遇到靈敏度的共振增強。

校準

ADXL354和ADXL355的直流靈敏度保證在標稱值的±8％范圍內(nèi)。如果未校準直流靈敏度，則直流加速度測量中的最大誤差為8％。如果需要更高的精度，可以通過將已知的輸入加速度應(yīng)用于器件，通過測量每個軸的至少兩個值來實現(xiàn)直流靈敏度校準。執(zhí)行此類校準的最簡單方法是將兩個方向（正方向和負方向）沿著每個軸定向到1 g 重力場。 1

ADXL354中的AC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，由工藝變化決定。多個器件的頻率變化通常小于2％，并且各部件的Q變化通常小于10％。圖3顯示了兩個ADXL354器件（X軸）與Q和諧振頻率差異很大的比較?？够殳B濾波器的組合以及諧振導(dǎo)致2 kHz時的歸一化交流靈敏度，對于兩個器件均等于1.63和1.74，差值約為6％。因此，如果加速度計檢測到100 m g 振動，Q值高于2 kHz，則另一個加速度計將報告與94 m g 相同的信號。在特定頻率下振動內(nèi)容的絕對精度很重要的應(yīng)用中，建議使用精密振動臺進行額外的交流校準。

總之，決定校準或不校準加速度計取決于感興趣的信號。對于需要監(jiān)測振動諧波頻率絕對值的振動監(jiān)測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用，需要額外的校準。在用于跟蹤自然振蕩，振幅和頻率相對變化的應(yīng)用中，ADXL354和ADXL355加速度計可與基線測量一起使用，無需額外校準。