高精度倾斜检测系统中加速度计选择

加速度计，是测量运载体线加速度的仪表。加速度计由检测质量(也称敏感质量)、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。其中，在测量飞机过载的加速度计是最早获得应用的飞机仪表之一。

加速度计 (accelerometer) 测量加速度的仪表。加速度测量是工程技术提出的重要课题。当物体具有很大的加速度时，物体及其所载的仪器设备和其他无相对加速度的物体均受到能产生同样大的加速度的力，即受到动载荷。欲知动载荷就要测出加速度。其次，要知道各瞬时飞机、火箭和舰艇所在的空间位置，可通过惯性导航(见陀螺平台惯性导航系统)连续地测出其加速度，然后经过积分运算得到速度分量，再次积分得到一个方向的位置坐标信号，而三个坐标方向的仪器测量结果就综合出运动曲线并给出每瞬时航行器所在的空间位置。再如某些控制系统中，常需要加速度信号作为产生控制作用所需的信息的一部分，这里也出现连续地测量加速度的问题。能连续地给出加速度信号的装置称为加速度传感器。

加速度计是一种非常不错的传感器，可以检测到开始倾塌的大桥在重力作用下，呈现细微的方向变化时的静态和动态加速度。这些传感器包括当您倾斜手机显示屏时，可以改变显示屏方向的手机应用器件，也包括受出口管制，可以帮助军用车辆或航天器导航的战术级器件。1但是，与大多数传感器一样，该传感器在实验室或试验台上表现出色是一回事，面对荒凉、不受控制的环境条件和温度应力时要保持同等的系统级性能，则完全是另一回事了。像人类一样，当加速度计在其生命周期中承受了前所未有的应力时，系统会做出反应并可能因这些应力的影响而发生故障。

常见加速度计的构件如下：外壳(与被测物体固连)、参考质量，敏感元件、信号输出器等。加速度计要求有一定量程和精确度、敏感性等，这些要求在某种程度上往往是矛盾的。以不同原理为依据的加速度计，其量程不同(从几个g到几十万个g)，它们对突变加速度频率的敏感性也各不相同。常见的加速度计所依据的原理有：①参考质量由弹簧与壳体相连(见图)，它和壳体的相对位移反映出加速度分量的大小，这个信号通过电位器以电压量输出;②参考质量由弹性细杆与壳体固连，加速度引起的动载荷使杆变形，用应变电阻丝感应变形的大小，其输出量是正比于加速度分盘大小的电信号;③参考质量通过压电元件与壳体固连，质量的动载荷对压电元件产生压力，压电元件输出与压力即加速度分量成比例的电信号：④参考质量由弹簧与壳体连接，放在线圈内部，反映加速度分量大小的位移改变线圈的电感，从而输出与加速度成正比的电信号。此外，尚有伺服类型的加速度计，其中引入一个反馈回路，以提高测量的精度。为了测出在平面或空间的加速度矢量，需要两个或三个加速度计，各测量一个加速度分量。

加速度计由检测质量(也称敏感质量)、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性的检测质量力图保持其原来的运动状态不变。它与壳体之间将产生相对运动，使弹簧变形，于是检测质量在弹簧力的作用下随之加速运动。当弹簧力与检测质量加速运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量与壳体之间便不再有相对运动，这时弹簧的变形反映被测加速度的大小。电位器作为位移传感元件把加速度信号转换为电信号，以供输出。加速度计本质上是一个一自由度的振荡系统，须采用阻尼器来改善系统的动态品质。

高精度倾斜检测系统在校准之后，倾斜精度一般可以优于1°。使用市场领先的超低噪声和高度稳定的加速度计，例如ADXL354或ADXL355，通过对可观测到的误差源进行校准，其倾斜精度可以达到0.005°。2但是，只有在适当减轻应力的情况下才能达到这种精度水平。例如，传感器承受的压缩/拉应力可能导致其出现高达20 mg的偏移，使得倾斜误差超过1°。

ADXL35x系列加速度计包含一个弹簧质量系统，这与许多其他的MEMS加速度计类似。质量响应外部加速度(静态加速度(如重力)或动态加速度(如速度变化))而移动，其物理位移通过传导机制进行检测。MEMS传感器采用的最常见的传导机制包括电容式、压阻式、压电式或磁性。ADXL355采用电容传导机制，通过电容变化来检测移动，而电容变化通过读取电路可转换为电压或电流输出。虽然ADXL355对硅芯片上的所有三轴传感器都采用了电容传导机制，但X/Y传感器和Z传感器采用了两种完全不同的电容检测架构。X/Y传感器均基于差分平面内叉指，而Z传感器是平面外平行板电容传感器。

如果传感器上存在压缩应力或拉应力，MEMS芯片会翘曲。由于检测质量块通过弹簧悬挂在衬底上方，所以不会和衬底一起翘曲，但质量块和衬底之间的间隙会发生变化。对于X/Y传感器，由于平面内位移对叉指电容变化的影响最大，所以间隙不在电容灵敏度这个方向，这是由边缘电场的补偿作用导致的。但是，对于Z传感器，衬底和检测质量块之间的间隙实际上是检测间隙。所以，它会对Z传感器产生直接影响，因为它有效改变了Z传感器的检测间隙。此外，Z传感器位于芯片中央，只要芯片受到任何应力，该位置都会产生最大程度翘曲。

除了物理应力之外，由于在大多数应用中，z轴上的热传递都不对称，所以z轴传感器上经常存在温度梯度。在典型应用中，传感器焊接在印刷电路板(PCB)上，而且整个系统都在封装内。X和Y轴的热传递主要通过封装周边的焊点来传递，并传递到对称的PCB上。但是，在z方向，由于芯片顶部存在焊点和对流，所以热传递通过底部传导，热量会通过空气传递到封装外。由于这种不匹配，z轴上会出现残余的温差梯度。与物理压缩/拉应力一样，这会使z轴上出现并非由加速度导致的偏移。

受环境应力影响的数据评述

ADXL354(模拟输出)加速度计可以连接至任何模拟数据采集系统来实施数据分析，而ADXL355评估板经过优化，可直接放入客户系统中，从而简化了现有嵌入式系统的原型设计。为了阐明本文主旨，我们使用了小型评估板EVAL-ADXL35x。为了记录和分析数据，我们将EVAL-ADXL35x连接至SDP-K1微控制器板，并使用Mbed环境进行编程。Mbed是适用于ARM微控制器板的开源和免费开发环境，配有一个在线编译器，可以帮助您快速构建。SDP-K1板在连接至PC时，会显示为外部驱动器。要对该板编程时，只需将编译器生成的二进制文件拖放到SDP-K1驱动器中即可。

一旦Mbed系统通过UART记录数据，就形成了一个基本的测试环境，可以尝试进行ADXL355实验，并将输出传输到简单端口，用于记录数据和进一步分析。需要注意的是，无论加速度计的输出数据速率是多少，Mbed代码都以2 Hz的速率记录寄存器。在Mbed中也可以采用更快的记录速度，但本文不做阐述。

良好的初始数据集有助于确定基准性能，并验证我们后续进行的大部分数据分析中可能出现的噪声水平。使用具有吸盘装置的PanaVise铰接式虎钳5，这样将该设备粘附在玻璃表面时，就可以通过工作台设置实现相当稳定的工作表面。采用这种配置，ADXL355板(从侧面固定)与实验室工作台一样稳定。更高级的电力用户可能会注意到，安装这种虎钳存在倾翻风险，但这是一种简单而经济的方法，可以根据重力改变方向。如图2所示安装ADXL355板之后，持续60秒采集一组数据进行首次分析。