高精度傾斜檢測(cè)系統(tǒng)中加速度計(jì)選擇

加速度計(jì)，是測(cè)量運(yùn)載體線加速度的儀表。加速度計(jì)由檢測(cè)質(zhì)量(也稱敏感質(zhì)量)、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。其中，在測(cè)量飛機(jī)過(guò)載的加速度計(jì)是最早獲得應(yīng)用的飛機(jī)儀表之一。

加速度計(jì) (accelerometer) 測(cè)量加速度的儀表。加速度測(cè)量是工程技術(shù)提出的重要課題。當(dāng)物體具有很大的加速度時(shí)，物體及其所載的儀器設(shè)備和其他無(wú)相對(duì)加速度的物體均受到能產(chǎn)生同樣大的加速度的力，即受到動(dòng)載荷。欲知?jiǎng)虞d荷就要測(cè)出加速度。其次，要知道各瞬時(shí)飛機(jī)、火箭和艦艇所在的空間位置，可通過(guò)慣性導(dǎo)航(見(jiàn)陀螺平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng))連續(xù)地測(cè)出其加速度，然后經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算得到速度分量，再次積分得到一個(gè)方向的位置坐標(biāo)信號(hào)，而三個(gè)坐標(biāo)方向的儀器測(cè)量結(jié)果就綜合出運(yùn)動(dòng)曲線并給出每瞬時(shí)航行器所在的空間位置。再如某些控制系統(tǒng)中，常需要加速度信號(hào)作為產(chǎn)生控制作用所需的信息的一部分，這里也出現(xiàn)連續(xù)地測(cè)量加速度的問(wèn)題。能連續(xù)地給出加速度信號(hào)的裝置稱為加速度傳感器。

加速度計(jì)是一種非常不錯(cuò)的傳感器，可以檢測(cè)到開(kāi)始傾塌的大橋在重力作用下，呈現(xiàn)細(xì)微的方向變化時(shí)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加速度。這些傳感器包括當(dāng)您傾斜手機(jī)顯示屏?xí)r，可以改變顯示屏方向的手機(jī)應(yīng)用器件，也包括受出口管制，可以幫助軍用車輛或航天器導(dǎo)航的戰(zhàn)術(shù)級(jí)器件。1但是，與大多數(shù)傳感器一樣，該傳感器在實(shí)驗(yàn)室或試驗(yàn)臺(tái)上表現(xiàn)出色是一回事，面對(duì)荒涼、不受控制的環(huán)境條件和溫度應(yīng)力時(shí)要保持同等的系統(tǒng)級(jí)性能，則完全是另一回事了。像人類一樣，當(dāng)加速度計(jì)在其生命周期中承受了前所未有的應(yīng)力時(shí)，系統(tǒng)會(huì)做出反應(yīng)并可能因這些應(yīng)力的影響而發(fā)生故障。

常見(jiàn)加速度計(jì)的構(gòu)件如下：外殼(與被測(cè)物體固連)、參考質(zhì)量，敏感元件、信號(hào)輸出器等。加速度計(jì)要求有一定量程和精確度、敏感性等，這些要求在某種程度上往往是矛盾的。以不同原理為依據(jù)的加速度計(jì)，其量程不同(從幾個(gè)g到幾十萬(wàn)個(gè)g)，它們對(duì)突變加速度頻率的敏感性也各不相同。常見(jiàn)的加速度計(jì)所依據(jù)的原理有：①參考質(zhì)量由彈簧與殼體相連(見(jiàn)圖)，它和殼體的相對(duì)位移反映出加速度分量的大小，這個(gè)信號(hào)通過(guò)電位器以電壓量輸出;②參考質(zhì)量由彈性細(xì)桿與殼體固連，加速度引起的動(dòng)載荷使桿變形，用應(yīng)變電阻絲感應(yīng)變形的大小，其輸出量是正比于加速度分盤大小的電信號(hào);③參考質(zhì)量通過(guò)壓電元件與殼體固連，質(zhì)量的動(dòng)載荷對(duì)壓電元件產(chǎn)生壓力，壓電元件輸出與壓力即加速度分量成比例的電信號(hào)：④參考質(zhì)量由彈簧與殼體連接，放在線圈內(nèi)部，反映加速度分量大小的位移改變線圈的電感，從而輸出與加速度成正比的電信號(hào)。此外，尚有伺服類型的加速度計(jì)，其中引入一個(gè)反饋回路，以提高測(cè)量的精度。為了測(cè)出在平面或空間的加速度矢量，需要兩個(gè)或三個(gè)加速度計(jì)，各測(cè)量一個(gè)加速度分量。

加速度計(jì)由檢測(cè)質(zhì)量(也稱敏感質(zhì)量)、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。檢測(cè)質(zhì)量受支承的約束只能沿一條軸線移動(dòng)，這個(gè)軸常稱為輸入軸或敏感軸。當(dāng)儀表殼體隨著運(yùn)載體沿敏感軸方向作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)牛頓定律，具有一定慣性的檢測(cè)質(zhì)量力圖保持其原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變。它與殼體之間將產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使彈簧變形，于是檢測(cè)質(zhì)量在彈簧力的作用下隨之加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)彈簧力與檢測(cè)質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力相平衡時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量與殼體之間便不再有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)彈簧的變形反映被測(cè)加速度的大小。電位器作為位移傳感元件把加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以供輸出。加速度計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)一自由度的振蕩系統(tǒng)，須采用阻尼器來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

高精度傾斜檢測(cè)系統(tǒng)在校準(zhǔn)之后，傾斜精度一般可以優(yōu)于1°。使用市場(chǎng)領(lǐng)先的超低噪聲和高度穩(wěn)定的加速度計(jì)，例如ADXL354或ADXL355，通過(guò)對(duì)可觀測(cè)到的誤差源進(jìn)行校準(zhǔn)，其傾斜精度可以達(dá)到0.005°。2但是，只有在適當(dāng)減輕應(yīng)力的情況下才能達(dá)到這種精度水平。例如，傳感器承受的壓縮/拉應(yīng)力可能導(dǎo)致其出現(xiàn)高達(dá)20 mg的偏移，使得傾斜誤差超過(guò)1°。

ADXL35x系列加速度計(jì)包含一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，這與許多其他的MEMS加速度計(jì)類似。質(zhì)量響應(yīng)外部加速度(靜態(tài)加速度(如重力)或動(dòng)態(tài)加速度(如速度變化))而移動(dòng)，其物理位移通過(guò)傳導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行檢測(cè)。MEMS傳感器采用的最常見(jiàn)的傳導(dǎo)機(jī)制包括電容式、壓阻式、壓電式或磁性。ADXL355采用電容傳導(dǎo)機(jī)制，通過(guò)電容變化來(lái)檢測(cè)移動(dòng)，而電容變化通過(guò)讀取電路可轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。雖然ADXL355對(duì)硅芯片上的所有三軸傳感器都采用了電容傳導(dǎo)機(jī)制，但X/Y傳感器和Z傳感器采用了兩種完全不同的電容檢測(cè)架構(gòu)。X/Y傳感器均基于差分平面內(nèi)叉指，而Z傳感器是平面外平行板電容傳感器。

如果傳感器上存在壓縮應(yīng)力或拉應(yīng)力，MEMS芯片會(huì)翹曲。由于檢測(cè)質(zhì)量塊通過(guò)彈簧懸掛在襯底上方，所以不會(huì)和襯底一起翹曲，但質(zhì)量塊和襯底之間的間隙會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于X/Y傳感器，由于平面內(nèi)位移對(duì)叉指電容變化的影響最大，所以間隙不在電容靈敏度這個(gè)方向，這是由邊緣電場(chǎng)的補(bǔ)償作用導(dǎo)致的。但是，對(duì)于Z傳感器，襯底和檢測(cè)質(zhì)量塊之間的間隙實(shí)際上是檢測(cè)間隙。所以，它會(huì)對(duì)Z傳感器產(chǎn)生直接影響，因?yàn)樗行Ц淖兞薢傳感器的檢測(cè)間隙。此外，Z傳感器位于芯片中央，只要芯片受到任何應(yīng)力，該位置都會(huì)產(chǎn)生最大程度翹曲。

除了物理應(yīng)力之外，由于在大多數(shù)應(yīng)用中，z軸上的熱傳遞都不對(duì)稱，所以z軸傳感器上經(jīng)常存在溫度梯度。在典型應(yīng)用中，傳感器焊接在印刷電路板(PCB)上，而且整個(gè)系統(tǒng)都在封裝內(nèi)。X和Y軸的熱傳遞主要通過(guò)封裝周邊的焊點(diǎn)來(lái)傳遞，并傳遞到對(duì)稱的PCB上。但是，在z方向，由于芯片頂部存在焊點(diǎn)和對(duì)流，所以熱傳遞通過(guò)底部傳導(dǎo)，熱量會(huì)通過(guò)空氣傳遞到封裝外。由于這種不匹配，z軸上會(huì)出現(xiàn)殘余的溫差梯度。與物理壓縮/拉應(yīng)力一樣，這會(huì)使z軸上出現(xiàn)并非由加速度導(dǎo)致的偏移。

受環(huán)境應(yīng)力影響的數(shù)據(jù)評(píng)述

ADXL354(模擬輸出)加速度計(jì)可以連接至任何模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)施數(shù)據(jù)分析，而ADXL355評(píng)估板經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可直接放入客戶系統(tǒng)中，從而簡(jiǎn)化了現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)。為了闡明本文主旨，我們使用了小型評(píng)估板EVAL-ADXL35x。為了記錄和分析數(shù)據(jù)，我們將EVAL-ADXL35x連接至SDP-K1微控制器板，并使用Mbed環(huán)境進(jìn)行編程。Mbed是適用于ARM微控制器板的開(kāi)源和免費(fèi)開(kāi)發(fā)環(huán)境，配有一個(gè)在線編譯器，可以幫助您快速構(gòu)建。SDP-K1板在連接至PC時(shí)，會(huì)顯示為外部驅(qū)動(dòng)器。要對(duì)該板編程時(shí)，只需將編譯器生成的二進(jìn)制文件拖放到SDP-K1驅(qū)動(dòng)器中即可。

一旦Mbed系統(tǒng)通過(guò)UART記錄數(shù)據(jù)，就形成了一個(gè)基本的測(cè)試環(huán)境，可以嘗試進(jìn)行ADXL355實(shí)驗(yàn)，并將輸出傳輸?shù)胶?jiǎn)單端口，用于記錄數(shù)據(jù)和進(jìn)一步分析。需要注意的是，無(wú)論加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)速率是多少，Mbed代碼都以2 Hz的速率記錄寄存器。在Mbed中也可以采用更快的記錄速度，但本文不做闡述。

良好的初始數(shù)據(jù)集有助于確定基準(zhǔn)性能，并驗(yàn)證我們后續(xù)進(jìn)行的大部分?jǐn)?shù)據(jù)分析中可能出現(xiàn)的噪聲水平。使用具有吸盤裝置的PanaVise鉸接式虎鉗5，這樣將該設(shè)備粘附在玻璃表面時(shí)，就可以通過(guò)工作臺(tái)設(shè)置實(shí)現(xiàn)相當(dāng)穩(wěn)定的工作表面。采用這種配置，ADXL355板(從側(cè)面固定)與實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)一樣穩(wěn)定。更高級(jí)的電力用戶可能會(huì)注意到，安裝這種虎鉗存在傾翻風(fēng)險(xiǎn)，但這是一種簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的方法，可以根據(jù)重力改變方向。如圖2所示安裝ADXL355板之后，持續(xù)60秒采集一組數(shù)據(jù)進(jìn)行首次分析。