【導(dǎo)讀】對于傾角計(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)用要求檢測靜態(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、井下定向鉆探、吊車穩(wěn)定系統(tǒng)，以及在建筑行業(yè)的水平測量和勘測設(shè)備找水平應(yīng)用中，傾角變化可假定為準(zhǔn)靜態(tài)，因?yàn)閮A角變化涉及到時(shí)間尺度通常遠(yuǎn)小于加速度計(jì)帶寬。然而，在振動(dòng)監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)控(SHM)之類的應(yīng)用中，加速度計(jì)的交流響應(yīng)也很重要，因?yàn)槟繕?biāo)信號(hào)可能有一個(gè)頻譜，其功率擴(kuò)展到很寬的頻率范圍上。
振動(dòng)是周期性的，因此通過頻譜分析可以很方便地確定振動(dòng)特性曲線（振動(dòng)、幅度和頻率之間的關(guān)系）。每臺(tái)運(yùn)動(dòng)設(shè)備都有自己的振動(dòng)特性曲線，振動(dòng)頻譜曲線常常代表設(shè)備的自然諧振頻率。為將加速度計(jì)輸出的頻率成分從電壓PSD [V/√Hz ]變?yōu)榧铀俣萈SD [g/√Hz ]，必須知道加速度計(jì)的靈敏度對頻率的響應(yīng)，例如靈敏度隨所施加輸入振動(dòng)的頻率如何變化。 ADXL354和ADXL355 屬于新型低噪聲、低功耗MEMS加速度計(jì)系列，支持結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)控等低振動(dòng)水平監(jiān)控應(yīng)用。本文討論這些加速度計(jì)的交流響應(yīng)，以及在此類應(yīng)用中決定是否需要校準(zhǔn)加速度計(jì)輸出時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的因素。
影響交流響應(yīng)的因素
ADXL354和ADXL355加速度計(jì)均利用模擬低通抗混疊濾波器來降低帶外噪聲。該模擬抗混疊濾波器是一種sinc3濾波器，提供大約1.5 kHz的固定帶寬（3 dB轉(zhuǎn)折頻率）。這會(huì)限制ADXL354 和ADXL355的帶寬，而且還會(huì)濾除ADXL355內(nèi)置的20位∑-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的混疊噪聲。ADXL355還內(nèi)置一個(gè)數(shù)字濾波級(jí)，其由一個(gè)低通抽取濾波器和一個(gè)可旁路高通濾波器組成。所有這些濾波級(jí)的組合定義這些器件的交流響應(yīng)。這些濾波級(jí)會(huì)有效衰減ADXL354和ADXL355在3 dB轉(zhuǎn)折頻率以外的靈敏度。ADXL354和ADXL355所用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，故而在傳感器的諧振頻率附近，靈敏度會(huì)因諧振而增強(qiáng)。
交流靈敏度測量
執(zhí)行正弦掃描振動(dòng)測試以評(píng)估傳感器的頻率響應(yīng)。加速度計(jì)被固定安裝在Unholtz-Dickie 20型振動(dòng)系統(tǒng)上。使用一個(gè)參考加速度計(jì)(PCB 320B14)來校準(zhǔn)振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)，另外還有一個(gè)Endevco133型信號(hào)調(diào)理器。對于ADXL354，使用Vibration Research VR9500作為振動(dòng)控制器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對于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)的頻率掃描范圍是30 Hz至5 kHz。測量之后改變加速度計(jì)的安裝方式，讓另一靈敏度軸與振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)軸對齊。
ADXL354
器件工作在±8 g范圍內(nèi)，正弦振動(dòng)的峰值激勵(lì)為 1 g，采用上一部分所述的設(shè)置。ADXL354靈敏度（歸一化到直流靈敏度）的頻率 響應(yīng)如圖1所示。從圖像可推知，諧振增強(qiáng)和模擬抗混疊濾波器引起的衰減的結(jié)合，將頻率平坦帶（直流的±5%范圍）限制在1.3kHz左右。例如，X軸和Y軸的+3dB轉(zhuǎn)折頻率（此時(shí)的靈敏度是直 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，故其在任何頻率的交流靈敏度都不會(huì)達(dá)到直流靈敏度的兩倍。Z軸傳感器的最大靈敏度是在其諧振頻率。
圖1. ADXL354靈敏度與振動(dòng)頻率的關(guān)系
ADXL355
器件工作在±8 g范圍內(nèi)，正弦振動(dòng)的峰值激勵(lì)為5 g，采用上述設(shè)置。ADXL355靈敏度的頻率響應(yīng)如圖2所示，ODR選擇4kHz。圖像顯示了所有頻率的靈敏度，歸一化到直流靈敏度。由于ADXL355中還實(shí)現(xiàn)了數(shù)字濾波，所以平坦帶寬受用戶設(shè)置的ODR限制（帶寬 = ODR/4）。在這里顯示的圖像中，ODR選擇為4kHz，相應(yīng)的–3 dB轉(zhuǎn)折頻率約為1 kHz。振動(dòng)頻率接近器件諧振頻率時(shí)，靈敏度會(huì)因諧振而增強(qiáng)。
圖2. ADXL355靈敏度與振動(dòng)頻率的關(guān)系
校準(zhǔn)
ADXL354和ADXL355的保證直流靈敏度為標(biāo)稱值的±8%。如果不校準(zhǔn)直流靈敏度，直流時(shí)的加速度測量最大誤差為8%。如果需要更高精度，可執(zhí)行直流靈敏度校準(zhǔn)，即把已知輸入加速度施加 于器件，每個(gè)軸至少測量兩個(gè)值。執(zhí)行這種校準(zhǔn)的最簡單方法是沿各軸將正負(fù)兩個(gè)方向均定位到1 g重力場1。
ADXL354的交流靈敏度差異主要取決于諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的差異。這些參數(shù)的差異通常非常小，受工藝差異控制。多個(gè)器件的頻率差異通常小于2%，品質(zhì)因數(shù)Q差異通常小于10%。圖3比較 了兩個(gè)Q和諧振頻率相差較大的ADXL354器件（X軸）。抗混疊濾波器和諧振的結(jié)合導(dǎo)致兩個(gè)器件在2kHz時(shí)的歸一化交流靈敏度分別等于1.63和1.74，相差大約6%。因此，若Q較高的加速度計(jì)在2 kHz時(shí)檢測到100 mg的振動(dòng)，則另一加速度計(jì)檢測同一信號(hào)時(shí)報(bào)告的結(jié)果將是94 mg。在應(yīng)用中，如果振動(dòng)成分在特定頻率的絕對精度很重要，建議利用精密振動(dòng)臺(tái)執(zhí)行額外的交流校準(zhǔn)。
圖3. ADXL354器件間靈敏度差異與振動(dòng)頻率的關(guān)系
總之，是否要校準(zhǔn)加速度計(jì)取決于目標(biāo)信號(hào)。對于需要監(jiān)控振動(dòng)諧波頻率絕對幅度的振動(dòng)監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)控應(yīng)用，需要進(jìn)行額外校準(zhǔn)。在意圖追蹤自然振蕩、幅度和頻率的相對偏移的 應(yīng)用中，可以結(jié)合基準(zhǔn)測量使用ADXL354和ADXL355加速度計(jì)，無需額外校正。
參考電路
1Christopher J. Fisher。應(yīng)用筆記，AN-1057，利用加速度計(jì)進(jìn)行傾斜檢測。ADI公司。
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