测量交流加速度：校准还是不校准

对于倾角计等应用，加速度计的直流响应是目标信号，因为应用需要检测静态加速度计输出的微小变化。在大多数应用中，例如平台稳定、井下定向钻井、起重机稳定系统，以及在建筑行业中用于道路平地机和测量设备的调平，倾斜度变化可以假设是准静态的，因为倾斜变化所涉及的时间尺度通常远小于加速度计的带宽。然而，在振动监测和结构健康监测（SHM）等应用中，加速度计的交流响应也变得很重要，因为目标信号可能具有功率分布在很宽频率范围内的频谱。

由于振动是周期性的，频谱分析提供了一种表征振动曲线（振动、幅度和频率之间的关系）的便捷方法。每个移动设备都有自己的振动曲线，频谱音通常代表设备的自然共振频率。了解加速度计的灵敏度频率响应，例如，灵敏度如何随施加的输入振动频率变化，对于将加速度计输出的频率内容从电压PSD [V/√Hz]缩放到加速度PSD [g/√Hz]是必要的。ADXL354和ADXL355是全新低噪声、低功耗MEMS加速度计系列的一部分，支持结构健康监测等低振动水平监测应用。本文讨论了这些加速度计的交流响应，以及在决定此类应用中是否需要校准加速度计输出时应考虑的因素。

影响交流响应的因素

ADXL354和ADXL355加速度计均采用模拟低通抗混叠滤波器来降低带外噪声。模拟抗混叠滤波器是一个sinc3滤波器，提供大约1.5 kHz的固定带宽（3 dB转折）。这限制了ADXL354和ADXL355的带宽，此外，还会滤除ADXL355内部20位Ʃ-Δ模数转换器（ADC）的混叠噪声。ADXL355还集成了一个额外的数字滤波器级，该级由一个低通抽取滤波器和一个可旁路高通滤波器组成。所有这些滤波器级的组合定义了这些器件的交流响应。这些滤波器级可有效衰减ADXL354和ADXL355在3 dB转折之外的灵敏度。ADXL354和ADXL355中使用的MEMS传感器在X轴和Y轴上的谐振频率约为2.5 kHz，在Z轴上的谐振频率约为2.1 kHz，从而使传感器谐振频率周围的灵敏度产生谐振增强。

交流灵敏度测量

执行正弦扫描振动测试以评估传感器的频率响应。加速度计用螺栓固定在固定装置上，并安装在Unholtz-Dickie 20型振动台系统上。参考加速度计（PCB 320B14）与Endevco 133型信号调理器一起用于校准振动台激励。对于ADXL354，振动研究VR9500用作振动控制器和数据采集系统。ADXL355 使用 NI PCI 7850R 作为 数据 采集 系统。正弦振动信号的频率从30 Hz扫描到5 kHz。在执行测量后，加速度计的安装会发生变化，以使不同的灵敏度轴与振动台系统的振动轴对齐。

ADXL354

这些器件在±8 g范围内工作，使用上一节中描述的设置，正弦振动上的峰值激励为1 g。ADXL354灵敏度的频率响应（归一化为直流灵敏度）如图1所示。从图中可以推断，由于模拟抗混叠滤波器，谐振增强和衰减的组合将平坦带（与直流±5%的变化）限制在大约1.3 kHz。例如，X轴和Y轴的+3 dB频率转折，灵敏度是直流灵敏度的两倍，约为2.1 kHz。Z轴传感器的品质因数低于X轴和Y轴传感器，因此，在任何频率下，交流灵敏度都不等于直流灵敏度的两倍。Z轴传感器的最大灵敏度是在其共振频率下。

图1.ADXL354灵敏度与振动频率的关系

ADXL355

使用上述设置，这些部件在±8 g范围内工作，正弦振动的峰值激励为5 g。对于4 kHz的ODR选择，ADXL355灵敏度的频率响应如图2所示。这些图显示了所有频率下的灵敏度，归一化为直流时的灵敏度。由于ADXL355中实现了额外的数字滤波，平坦带宽受到用户编程ODR（带宽= ODR/4）的限制。在此处显示的图中，4 kHz的ODR选择产生约1 kHz的–3 dB转折。器件共振周围频率的振动将遇到灵敏度的共振增强。

图2.ADXL355灵敏度与振动频率的关系

校准

ADXL354和ADXL355的直流灵敏度保证在标称值的±8%范围内。如果未校准直流灵敏度，则直流加速度测量中的最大误差为8%。如果需要更高的精度，可以通过对器件施加已知的输入加速度，通过测量每个轴至少两个值来实现直流灵敏度校准。执行此类校准的最简单方法是沿每个轴将两个方向（正和负）定向到1 g重力场。1

ADXL354中的交流灵敏度变化主要取决于谐振频率和品质因数的变化。这些参数的变化通常非常小，受过程变化的支配。多个器件的频率变化通常小于2%，器件之间的Q变化通常小于10%。图3显示了两个Q和谐振频率差异很大的ADXL354器件（X轴）的比较。抗混叠滤波器与谐振的组合导致2 kHz时的归一化交流灵敏度，两个器件的归一化交流灵敏度分别为1.63和1.74，相差约6%。因此，如果加速度计在2 kHz时检测到100 m g的振动，Q值较高，则另一个加速度计将报告与94 mg相同的信号。在特定频率下振动成分的绝对精度很重要的应用中，建议使用精密振动台进行额外的交流校准。

图3.ADXL354器件间灵敏度变化与振动频率的关系

总之，校准或不校准加速度计的决定取决于感兴趣的信号。适用于需要监测绝对幅度的振动监测和结构健康监测应用 振动谐波频率，需要额外的校准。在旨在跟踪自然振荡、幅度和频率的相对变化的应用中，ADXL354和ADXL355加速度计可以与基线测量一起使用，无需额外校准。

审核编辑：郭婷