Måling av AC-akselerasjon: Å kalibrere eller ikke kalibrere?

For applikasjoner som inklinometre er DC-responsen i akselerometersignalet interessant, da applikasjonen krever detektering av små endringer i den statiske akselerometerutgangen. I de fleste bruksområder, for eksempel plattformsstabilisering, borehullsstyring, kranstabilitetssystemer og i anleggsbransjen til utjevning eller vatring av veier og oppmålingsutstyr, kan hellningsendringen antas å være kvasi-statisk, da tiden en endring tar vanligvis er mye mindre enn akselerometers båndbredde. I applikasjoner som vibrasjonsovervåking og strukturell helse overvåkning (SHM) blir imidlertid AC-responsen til et akselerometer også viktig, da signalene kan ha et frekvensspekter som sprer energiene over et bredt frekvensområde.

Spektralanalyse
Siden vibrasjon er periodisk, er spektralanalyse en praktisk måte å karakterisere vibrasjonsprofilen på (forholdet mellom vibrasjon, signalsving og frekvens). Hver del av et utstyr i bevegelse vil ha sin egen vibrasjonsprofil, med spektraltoner som ofte representerer utstyrets naturlige resonansfrekvenser. Å vite akselerometerets frekvensrespons for følsomhet, - for eksempel, hvordan følsomheten varierer som en funksjon av frekvensen av påført inngangsvibrasjon, - er nødvendig for å skalere frekvensinnholdet i akselerometerutgangen fra en spennings-PSD (V/√Hz) til akselerasjons-PSD (g/√Hz).

ADXL354 og ADXL355 er en del av en ny familie med lavstøy, laveffekt MEMS-akselerometre som muliggjør overvåking av et lavt vibrasjonsnivå, for eksempel i strukturell helseovervåking. Denne artikkelen diskuterer AC-responsen til disse akselerometerene og faktorer som bør tas i betraktning for å avgjøre om kalibrering av akselerometerutgangen er nødvendig i slike applikasjoner.

Faktorer som bidrar til AC-respons
Akselerometerene ADXL354 og ADXL355 bruker et analogt lavpass-, antialiasingfilter for å redusere båndstøy. Det analoge antialiasingfilteret er et sinc3 filter, og det gir en fast båndbredde (3 dB-«hjørne») på ca. 1,5 kHz. Dette begrenser båndbredden i ADXL354 og ADXL355, og i tillegg filtreres aliasingstøy ut fra den interne, 20-bits, ∑-∆ analog-til-digital-omformeren (ADC) i ADXL355. ADXL355 inneholder også et ekstra digitalt filtertrinn som består av et lavpass-desimeringsfilter og et bypass høypassfilter. En kombinasjon av alle disse filtrertrinnene definerer AC-responsen til disse enhetene. Disse filterstrinnene demper sensitiviteten effektivt i ADXL354 og ADXL355 utenfor 3 dB-hjørnet. MEMS-sensoren som brukes i ADXL354 og ADXL355 har en resonansfrekvens på ca. 2,5 kHz på x- og y-aksen og 2,1 kHz på z-aksen, og sørger for resonansforbedring av følsomheten rundt sensorens resonansfrekvens.

Måling av AC-sensitivitet
En sinusformet sveipe-vibrasjonstest utføres for å evaluere sensorens frekvensrespons. Akselerometeret er boltet til en fikstur og montert på et Unholtz-Dickie modell 20 vibrasjonssystem. Et referanseakselerometer (PCB 320B14) brukes til kalibrering av vibrasjonseksitasjonen, sammen med en Endevco modell 133 signaltrimmer. For ADXL354 brukes en VR9500 fra Vibration Research som vibrasjonsregulator og datainnsamlingssystem. For ADXL355 brukes en NI PCI 7850R som datainnsamlingssystem. Frekvensen til det sinusformede vibrasjonssignalet varierer fra 30 Hz til 5 kHz. Montering av akselerometeret endres etter utførte målinger til en annen sensivitetsakse i vibrasjonssystemet.

ADXL354
Komponentene ble kjørt i området ±8 g, med 1 g toppeksitasjon på den sinusformede vibrasjonen, ved hjelp av oppsettet beskrevet i forrige avsnitt. Frekvensresponsen for følsomheten (normalisert til DC-følsomheten) for ADXL354 er vist i figur 1. Som det fremgår av grafen, begrenser kombinasjonen resonansforbedring og demping det flate båndet (± 5% variasjon fra DC) til omtrent 1,3 kHz på grunn av det analoge antialiasingfilteret. F.eks. er frekvenshjørnet 3 dB (frekvensen hvor følsomheten er dobbelt så høy som DC-følsomheten), omtrent 2,1 kHz for x- og y-aksene. Kvalitetsfaktoren til z-akse sensoren er lavere enn x- og y-akse sensorene, og dermed er ikke følsomheten lik det dobbelte av DC-følsomheten ved hvilken som helst frekvens. Den maksimale følsomheten for z-akse sensoren er ved sin resonansfrekvens.

ADXL355
Komponentene ble kjørt i området ± 8 g med 5 g toppeksitasjon på sinusformet vibrasjon ved hjelp av oppsettet beskrevet ovenfor. Frekvensresponsen på følsomheten til ADXL355, vist i figur 2, er for et ODR-utvalg på 4 kHz. Grafen viser følsomheten ved alle frekvenser, normalisert til følsomheten ved DC. På grunn av den ekstra digitale filtreringen som implementeres i ADXL355, er den flate båndbredden begrenset av brukerprogrammert ODR (båndbredde = ODR/4). I plottene som vises her, resulterer ODR-utvalget på 4 kHz i et -3 dB hjørne på omtrent 1 kHz. Vibrasjoner ved frekvenser rundt enhetens resonans vil møte en resonansforbedring av følsomheten.

Kalibrering
DC-følsomheten til ADXL354 og ADXL355 er garantert i et område på ± 8% fra nominelt. Dersom DC-følsomheten ikke kalibreres, er maksimal feil i en akselerasjonsmåling ved DC 8%. Hvis høyere nøyaktighet kreves, kan DC følsomhetskalibrering implementeres ved å måle minst to verdier per akse, gjennom å bruke kjent inngangsakselerasjon til enheten. Den enkleste metoden for å utføre en slik kalibrering er å orientere begge retninger (positive og negative) langs hver akse i tyngdekraftfeltet 1g⁽¹⁾.

Variasjon
AC-sensitivitetsvariasjon i ADXL354 er i hovedsak avhengig av variasjonen av resonansfrekvensen og kvalitetsfaktoren. Variasjonen i disse parametrene er vanligvis svært liten, styrt av prosessvariasjoner. Frekvensvariasjonen er vanligvis mindre enn 2% på tvers av flere komponenter, og Q-variasjonen er vanligvis mindre enn 10% på tvers av komponenter. Figur 3 viser en sammenligning av to ADXL354-komponenter (x-akse) med vesentlig forskjellige Q- og resonansfrekvenser. Kombinasjonen av antialiasingfilteret, sammen med resonansen, resulterer i normalisert AC-følsomhet ved 2 kHz, lik 1,63 og 1,74 for begge komponenter, en forskjell på ca. 6%. Således, hvis vibrasjoner på 100 mg blir detektert av akselerometeret med høyere Q ved 2 kHz, vil det andre akselerometeret rapportere det samme signalet som 94 mg. I applikasjoner der absolutt nøyaktighet av vibrasjonsinnholdet ved en bestemt frekvens er viktig, anbefales ytterligere kalibrering med et høypresisjons vibrasjonsbord.

Avhenger av signalet
Som konklusjon er beslutningen om å kalibrere eller ikke kalibrere avhengig av det spesifikke signalet. For vibrasjonsovervåkning og strukturelle helsemonitorerings applikasjoner som krever overvåkning av absolutt størrelse i vibrasjonsmønstre, er det nødvendig med ytterligere kalibrering. I applikasjoner som er ment å spore relative skift i naturlig oscillasjon, amplitude og frekvenser, kan aksellerometrene ADXL354 og ADXL355 brukes med en baselinjemåling uten ytterligere kalibrering.

Referanser
1 Christopher J. Fisher. Application Note AN-1057, Using an Accelerometer for Inclination Sensing. Analog Devices, Inc., 2010.