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测量交流加速度:校准还是不校准?

发布时间:2020-07-14 来源:Siddharth Tallur 责任编辑:wenwei

【导读】对于倾角计等应用,加速度计的直流响应是目标信号,因为应用要求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、井下定向钻探、吊车稳定系统,以及在建筑行业的水平测量和勘测设备找水平应用中,倾角变化可假定为准静态,因为倾角变化涉及到时间尺度通常远小于加速度计带宽。然而,在振动监控和结构健康状况监控(SHM)之类的应用中,加速度计的交流响应也很重要,因为目标信号可能有一个频谱,其功率扩展到很宽的频率范围上。
 
振动是周期性的,因此通过频谱分析可以很方便地确定振动特性曲线(振动、幅度和频率之间的关系)。每台运动设备都有自己的振动特性曲线,振动频谱曲线常常代表设备的自然谐振频率。为将加速度计输出的频率成分从电压PSD [V/√Hz ]变为加速度PSD [g/√Hz ],必须知道加速度计的灵敏度对频率的响应,例如灵敏度随所施加输入振动的频率如何变化。 ADXL354和ADXL355 属于新型低噪声、低功耗MEMS加速度计系列,支持结构健康状况监控等低振动水平监控应用。本文讨论这些加速度计的交流响应,以及在此类应用中决定是否需要校准加速度计输出时应当考虑的因素。
 
影响交流响应的因素
 
ADXL354和ADXL355加速度计均利用模拟低通抗混叠滤波器来降低带外噪声。该模拟抗混叠滤波器是一种sinc3滤波器,提供大约1.5 kHz的固定带宽(3 dB转折频率)。这会限制ADXL354 和ADXL355的带宽,而且还会滤除ADXL355内置的20位∑-Δ型模数转换器(ADC)的混叠噪声。ADXL355还内置一个数字滤波级,其由一个低通抽取滤波器和一个可旁路高通滤波器组成。所有这些滤波级的组合定义这些器件的交流响应。这些滤波级会有效衰减ADXL354和ADXL355在3 dB转折频率以外的灵敏度。ADXL354和ADXL355所用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,故而在传感器的谐振频率附近,灵敏度会因谐振而增强。
 
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。加速度计被固定安装在Unholtz-Dickie 20型振动系统上。使用一个参考加速度计(PCB 320B14)来校准振动激励信号,另外还有一个Endevco133型信号调理器。对于ADXL354,使用Vibration Research VR9500作为振动控制器和数据采集系统。对于ADXL355,使用NI PCI 7850R作为数据采集系统。正弦振动信号的频率扫描范围是30 Hz至5 kHz。测量之后改变加速度计的安装方式,让另一灵敏度轴与振动系统的振动轴对齐。
 
ADXL354
 
器件工作在±8 g范围内,正弦振动的峰值激励为 1 g,采用上一部分所述的设置。ADXL354灵敏度(归一化到直流灵敏度)的频率 响应如图1所示。从图像可推知,谐振增强和模拟抗混叠滤波器引起的衰减的结合,将频率平坦带(直流的±5%范围)限制在1.3kHz左右。例如,X轴和Y轴的+3dB转折频率(此时的灵敏度是直 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,故其在任何频率的交流灵敏度都不会达到直流灵敏度的两倍。Z轴传感器的最大灵敏度是在其谐振频率。
 
测量交流加速度:校准还是不校准?
图1. ADXL354灵敏度与振动频率的关系
 
ADXL355
 
器件工作在±8 g范围内,正弦振动的峰值激励为5 g,采用上述设置。ADXL355灵敏度的频率响应如图2所示,ODR选择4kHz。图像显示了所有频率的灵敏度,归一化到直流灵敏度。由于ADXL355中还实现了数字滤波,所以平坦带宽受用户设置的ODR限制(带宽 = ODR/4)。在这里显示的图像中,ODR选择为4kHz,相应的–3 dB转折频率约为1 kHz。振动频率接近器件谐振频率时,灵敏度会因谐振而增强。
 
测量交流加速度:校准还是不校准?
图2. ADXL355灵敏度与振动频率的关系
 
校准
 
ADXL354和ADXL355的保证直流灵敏度为标称值的±8%。如果不校准直流灵敏度,直流时的加速度测量最大误差为8%。如果需要更高精度,可执行直流灵敏度校准,即把已知输入加速度施加 于器件,每个轴至少测量两个值。执行这种校准的最简单方法是沿各轴将正负两个方向均定位到1 g重力场1。
 
ADXL354的交流灵敏度差异主要取决于谐振频率和品质因数的差异。这些参数的差异通常非常小,受工艺差异控制。多个器件的频率差异通常小于2%,品质因数Q差异通常小于10%。图3比较 了两个Q和谐振频率相差较大的ADXL354器件(X轴)。抗混叠滤波器和谐振的结合导致两个器件在2kHz时的归一化交流灵敏度分别等于1.63和1.74,相差大约6%。因此,若Q较高的加速度计在2 kHz时检测到100 mg的振动,则另一加速度计检测同一信号时报告的结果将是94 mg。在应用中,如果振动成分在特定频率的绝对精度很重要,建议利用精密振动台执行额外的交流校准。
 
测量交流加速度:校准还是不校准?
图3. ADXL354器件间灵敏度差异与振动频率的关系
 
总之,是否要校准加速度计取决于目标信号。对于需要监控振动谐波频率绝对幅度的振动监控和结构健康状况监控应用,需要进行额外校准。在意图追踪自然振荡、幅度和频率的相对偏移的 应用中,可以结合基准测量使用ADXL354和ADXL355加速度计,无需额外校正。
 
参考电路
 
1Christopher J. Fisher。应用笔记,AN-1057,利用加速度计进行倾斜检测。ADI公司。
 
 
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