【導讀】對于傾角計等應用，加速度計的直流響應是目標信號，因為應用要求檢測靜態(tài)加速度計輸出的微小變化。在大多數(shù)應用中，例如平臺穩(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備找水平應用中，傾角變化可假定為準靜態(tài)，因為傾角變化涉及到時間尺度通常遠小于加速度計帶寬。然而，在振動監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)控(SHM)之類的應用中，加速度計的交流響應也很重要，因為目標信號可能有一個頻譜，其功率擴展到很寬的頻率范圍上。
振動是周期性的，因此通過頻譜分析可以很方便地確定振動特性曲線（振動、幅度和頻率之間的關系）。每臺運動設備都有自己的振動特性曲線，振動頻譜曲線常常代表設備的自然諧振頻率。為將加速度計輸出的頻率成分從電壓PSD [V/√Hz ]變?yōu)榧铀俣萈SD [g/√Hz ]，必須知道加速度計的靈敏度對頻率的響應，例如靈敏度隨所施加輸入振動的頻率如何變化。 ADXL354和ADXL355 屬于新型低噪聲、低功耗MEMS加速度計系列，支持結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)控等低振動水平監(jiān)控應用。本文討論這些加速度計的交流響應，以及在此類應用中決定是否需要校準加速度計輸出時應當考慮的因素。
影響交流響應的因素
ADXL354和ADXL355加速度計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）。這會限制ADXL354 和ADXL355的帶寬，而且還會濾除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)置一個數(shù)字濾波級，其由一個低通抽取濾波器和一個可旁路高通濾波器組成。所有這些濾波級的組合定義這些器件的交流響應。這些濾波級會有效衰減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，靈敏度會因諧振而增強。
交流靈敏度測量
執(zhí)行正弦掃描振動測試以評估傳感器的頻率響應。加速度計被固定安裝在Unholtz-Dickie 20型振動系統(tǒng)上。使用一個參考加速度計(PCB 320B14)來校準振動激勵信號，另外還有一個Endevco133型信號調(diào)理器。對于ADXL354，使用Vibration Research VR9500作為振動控制器和數(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)。正弦振動信號的頻率掃描范圍是30 Hz至5 kHz。測量之后改變加速度計的安裝方式，讓另一靈敏度軸與振動系統(tǒng)的振動軸對齊。
ADXL354
器件工作在±8 g范圍內(nèi)，正弦振動的峰值激勵為 1 g，采用上一部分所述的設置。ADXL354靈敏度（歸一化到直流靈敏度）的頻率 響應如圖1所示。從圖像可推知，諧振增強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達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靈敏度與振動頻率的關系
ADXL355
器件工作在±8 g范圍內(nèi)，正弦振動的峰值激勵為5 g，采用上述設置。ADXL355靈敏度的頻率響應如圖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中還實現(xiàn)了數(shù)字濾波，所以平坦帶寬受用戶設置的ODR限制（帶寬 = ODR/4）。在這里顯示的圖像中，ODR選擇為4kHz，相應的–3 dB轉(zhuǎn)折頻率約為1 kHz。振動頻率接近器件諧振頻率時，靈敏度會因諧振而增強。
圖2. ADXL355靈敏度與振動頻率的關系
校準
ADXL354和ADXL355的保證直流靈敏度為標稱值的±8%。如果不校準直流靈敏度，直流時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，即把已知輸入加速度施加 于器件，每個軸至少測量兩個值。執(zhí)行這種校準的最簡單方法是沿各軸將正負兩個方向均定位到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)合導致兩個器件在2kHz時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較高的加速度計在2 kHz時檢測到100 mg的振動，則另一加速度計檢測同一信號時報告的結(jié)果將是94 mg。在應用中，如果振動成分在特定頻率的絕對精度很重要，建議利用精密振動臺執(zhí)行額外的交流校準。
圖3. ADXL354器件間靈敏度差異與振動頻率的關系
總之，是否要校準加速度計取決于目標信號。對于需要監(jiān)控振動諧波頻率絕對幅度的振動監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)控應用，需要進行額外校準。在意圖追蹤自然振蕩、幅度和頻率的相對偏移的 應用中，可以結(jié)合基準測量使用ADXL354和ADXL355加速度計，無需額外校正。
參考電路
1Christopher J. Fisher。應用筆記，AN-1057，利用加速度計進行傾斜檢測。ADI公司。
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