【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。在大多數應用中，例如平臺穩定、井下定向鉆探、吊車(chē)穩定系統，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(shí)間尺度通常遠小于加速度計帶寬。然而，在振動(dòng)監控和結構健康狀況監控(SHM)之類(lèi)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(gè)頻譜，其功率擴展到很寬的頻率范圍上。
振動(dòng)是周期性的，因此通過(guò)頻譜分析可以很方便地確定振動(dòng)特性曲線(xiàn)（振動(dòng)、幅度和頻率之間的關(guān)系）。每臺運動(dòng)設備都有自己的振動(dòng)特性曲線(xiàn)，振動(dòng)頻譜曲線(xiàn)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(dòng)的頻率如何變化。 ADXL354和ADXL355 屬于新型低噪聲、低功耗MEMS加速度計系列，支持結構健康狀況監控等低振動(dòng)水平監控應用。本文討論這些加速度計的交流響應，以及在此類(lèi)應用中決定是否需要校準加速度計輸出時(shí)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(lái)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轉折頻率）。這會(huì )限制ADXL354 和ADXL355的帶寬，而且還會(huì )濾除ADXL355內置的20位∑-Δ型模數轉換器(ADC)的混疊噪聲。ADXL355還內置一個(gè)數字濾波級，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。所有這些濾波級的組合定義這些器件的交流響應。這些濾波級會(huì )有效衰減ADXL354和ADXL355在3 dB轉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。
交流靈敏度測量
執行正弦掃描振動(dòng)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(dòng)系統上。使用一個(gè)參考加速度計(PCB 320B14)來(lái)校準振動(dòng)激勵信號，另外還有一個(gè)Endevco133型信號調理器。對于A(yíng)DXL354，使用Vibration Research VR9500作為振動(dòng)控制器和數據采集系統。對于A(yíng)DXL355，使用NI PCI 7850R作為數據采集系統。正弦振動(dòng)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(dòng)系統的振動(dòng)軸對齊。
ADXL354
器件工作在±8 g范圍內，正弦振動(dòng)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，正弦振動(dòng)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A(yíng)DXL355中還實(shí)現了數字濾波，所以平坦帶寬受用戶(hù)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。
圖2. ADXL355靈敏度與振動(dòng)頻率的關(guān)系
校準
ADXL354和ADXL355的保證直流靈敏度為標稱(chēng)值的±8%。如果不校準直流靈敏度，直流時(shí)的加速度測量最大誤差為8%。如果需要更高精度，可執行直流靈敏度校準，即把已知輸入加速度施加 于器件，每個(gè)軸至少測量?jì)蓚€(gè)值。執行這種校準的最簡(jiǎn)單方法是沿各軸將正負兩個(gè)方向均定位到1 g重力場(chǎng)1。
ADXL354的交流靈敏度差異主要取決于諧振頻率和品質(zhì)因數的差異。這些參數的差異通常非常小，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）?？够殳B濾波器和諧振的結合導致兩個(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較高的加速度計在2 kHz時(shí)檢測到100 mg的振動(dòng)，則另一加速度計檢測同一信號時(shí)報告的結果將是94 mg。在應用中，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)臺執行額外的交流校準。
圖3. ADXL354器件間靈敏度差異與振動(dòng)頻率的關(guān)系
總之，是否要校準加速度計取決于目標信號。對于需要監控振動(dòng)諧波頻率絕對幅度的振動(dòng)監控和結構健康狀況監控應用，需要進(jìn)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，可以結合基準測量使用ADXL354和ADXL355加速度計，無(wú)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(jìn)行傾斜檢測。ADI公司。
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