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)用要求檢測(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、井下定向鉆探、吊車穩(wěn)定系統(tǒng)，以及在建筑行業(yè)的水平測(cè)量和勘測(cè)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?PSD ［g/√Hz ］，必須知道加速度計(jì)的靈敏度對(duì)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(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)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)量?jī)蓚€(gè)值。執(zhí)行這種校準(zhǔn)的最簡(jiǎn)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(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(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(cè)到 100 mg 的振動(dòng)，則另一加速度計(jì)檢測(cè)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(duì)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(duì)于需要監(jiān)控振動(dòng)諧波頻率絕對(duì)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(duì)偏移的 應(yīng)用中，可以結(jié)合基準(zhǔn)測(cè)量使用 ADXL354 和 ADXL355 加速度計(jì)，無需額外校正。
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