三軸加速度計

對于加速度傳感器和陀螺儀兩者來說，單從字面意思上來看，兩者完全就是不搭邊的，實際看似不同的兩種傳感器，卻有著千絲萬縷的聯(lián)系。從定義上來看三軸加速度傳感器，同樣的它是基于加速度的基本原理去實現(xiàn)工作的，加速度是個空間矢量，一方面，要準(zhǔn)確了解物體的運(yùn)動狀態(tài)，必須測得其三個坐標(biāo)軸上的分量；另一方面，在預(yù)先不知道物體運(yùn)動方向的場合下，只有應(yīng)用三軸加速度傳感器來檢測加速度信號,由于三軸加速度傳感器也是基于重力原理的，因此用三軸加速度傳感器可以實現(xiàn)雙軸正負(fù)90度或雙軸0-360度的傾角，通過校正后期精度要高于雙軸加速度傳感器大于測量角度為60度的情況.

三軸加速度傳感器具有體積小和重量輕特點，可以測量空間加速度，能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動性質(zhì)，在航空航天、機(jī)器人、汽車和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

加速度計是測橫滾、俯仰的，一個是測量角速度變化的，加速度計適用于長時間、靜態(tài)的傾斜角度變化；陀螺儀適用于短時間、動態(tài)情況的姿態(tài)變化, 一般我們所說的三軸陀螺儀+三軸加速度計組合成最小慣性測量單元，也叫IMU.

陀螺儀測角速度的，加速度是測線性加速度的。前者是慣性原理，后者是利用的力平衡原理。加速度計在較長時間的測量值是正確的，而在較短時間內(nèi)由于信號噪聲的存在，而有誤差，陀螺儀，在較短時間內(nèi)則比較準(zhǔn)確而較長時間則會有與漂移而存有誤差。因此，需要兩者（相互調(diào)整）來確保航向的正確。例如：三軸模擬硅微MEMS角速率陀螺PA-3ARG-01系列 ，三軸數(shù)字硅微MEMS角速率陀螺PA-3ARG-01D系列,單軸硅微MEMS角速率陀螺PA-ARG-0200型系列，單軸石英MEMS角速率陀螺PM-ARS-XXXB型,單軸數(shù)字陀螺儀PA-ARG-01D

現(xiàn)在一般的姿態(tài)方面的慣性應(yīng)用，如IMU（慣性測量單元），由三軸陀螺儀和三軸加速度計組合而成：通用型數(shù)字慣性測量單元PA-IMU-01D系列，高精度數(shù)字慣性測量單元PA-IMU-03D系列.

目前的三軸加速度傳感器大多采用壓阻式、壓電式和電容式工作原理，產(chǎn)生的加速度正比于電阻、電壓和電容的變化，通過相應(yīng)的放大和濾波電路進(jìn)行采集。這個和普通的加速度傳感器是基于同樣的原理，所以在一定的技術(shù)上三個單軸就可以變成一個三軸。對于多數(shù)的傳感器應(yīng)用來看，兩軸的加速度傳感器已經(jīng)能滿足多數(shù)應(yīng)用。但是有些方面的應(yīng)用還是集中在三軸加速度傳感器中例如在數(shù)采設(shè)備，貴重資產(chǎn)監(jiān)測，碰撞監(jiān)測，測量建筑物振動,風(fēng)機(jī),風(fēng)力渦輪機(jī)和其他敏感的大型結(jié)構(gòu)振動。

三軸加速度傳感器的好處就是在預(yù)先不知道物體運(yùn)動方向的場合下，只有應(yīng)用三維加速度傳感器來檢測加速度信號。三維加速度傳感器具有體積小和重量輕特點，可以測量空間加速度，能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動性質(zhì)。

ADXL330是美國模擬器件公司(ADI)推出的一款帶有信號調(diào)理電路的高精度模擬三軸加速度傳感器，A它可以使用于測量傾斜檢測應(yīng)用中的靜態(tài)重力加速度，以及運(yùn)動、沖擊或振動導(dǎo)致的動態(tài)加速度等。

精準(zhǔn)測控作為美國ADI在中國地區(qū)的代理商，精準(zhǔn)測控作為國內(nèi)專業(yè)傳感器,擁有自主生產(chǎn)研發(fā)的陀螺儀傳感器、加速度計、傾角傳感器、磁羅盤等產(chǎn)品,主要為用戶提供慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、IMU、航姿系統(tǒng)等，美國ADXL330三軸加速度計相關(guān)的特點：

三軸檢測小尺寸、薄型封裝：4×4×1.45mm LFCSP低功耗：180 μA（1.8V，典型值）單電源供電：1.8V至3.6V,抗沖擊能力：10,000 g出色的溫度穩(wěn)定性通過各軸的一個電容調(diào)整相應(yīng)的帶寬符合RoHS/WEEE無鉛要。

此次，我們著重介紹下ADXL330三軸加速度計在水下結(jié)構(gòu)振動測試中的應(yīng)用情況及場景：

輸水管道的流量控制一般通過調(diào)節(jié)閘門開度大小實現(xiàn)，某水利樞紐工程的輸水管道由兩個管線組成，每個管線均設(shè)計由出口控制閘門，閘門尺寸達(dá)到3 m×3 m，孔口尺寸為2.5 m×2.5 m，設(shè)計水頭為65 m，其中35 m為擋水頭，30 m為水擊壓力產(chǎn)生的水頭，根據(jù)樞紐布置及閘門運(yùn)行要求，為避免管道產(chǎn)生過大的水擊壓力，設(shè)計下游水位較高，閘門始終處于淹沒狀態(tài)下工作，大大增加了誘發(fā)閘門結(jié)構(gòu)振動的可能性，為了適時調(diào)節(jié)閘門開度，確保下泄流量，工作閘門需長時間局部開啟運(yùn)行，出口閘門的水力特性和誘發(fā)振動是極其復(fù)雜的流固耦合問題。

因此，通過振動在線監(jiān)測分析，對確保閘門及閘墩的安全運(yùn)行具有重要作用，是確保引水工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，為了有效地監(jiān)測水下閘門振動，本文在分析ADXL330三軸加速度計結(jié)構(gòu)、工作原理和標(biāo)定方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)水下結(jié)構(gòu)振動測試的特點和要求，設(shè)計了基于ADXL330的水下結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測加速度傳感器，并應(yīng)用于輸水管道閘門振動的監(jiān)測系統(tǒng)中。

2 ADXL330加速度計將運(yùn)動加速度或重力轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，主要用于振動參數(shù)的測量，在工業(yè)測量與控制中有著廣泛應(yīng)用，加速度計按測量軸數(shù)目分為單軸、雙軸、三軸，傳統(tǒng)的加速度計是由壓電材料制成的。

這種傳感器采用表面微處理加工技術(shù)制造，傳感單元如圖1所示，隨橫梁上的中心薄片與兩個固定外部薄片形成差動電容器(CS1和CS2)，無加速度時兩電容器電容相等。當(dāng)施加了加速度時，中心薄片移近某一固定薄片遠(yuǎn)離另一固定薄片，引起電容變化，通過測量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出，就能夠測得相應(yīng)的加速度值，ADXL330在16引腳芯片級封裝(4 mm×4mm×1.45 mm)內(nèi)集成了一個三軸傳感單元及其信號調(diào)理電路，如圖2所示，DXL330是美國ADI公司采用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的新型三軸加速度計芯片。

ADXL330具有最大±3.6g測量范圍，能夠測量靜態(tài)重力加速度，以及由運(yùn)動、沖擊或振動產(chǎn)生的動態(tài)加速度，具有10000g額定耐沖擊強(qiáng)度， ADXL330采用單電源供電，電壓范圍為2.0～3.6 V，ADXL330的帶寬范圍為0.5 Hz～1.6kHz，由內(nèi)置電阻RFILT=32 kΩ和外接電容Cx確定，抗混與降噪濾波器的-3 dB帶寬為 3 水下振動測試傳感器設(shè)計 由于輸水管線閘門工作年度周期性特點，對水下閘門振動測試傳感器除了常規(guī)精度和穩(wěn)定性等要求外，還提出一些特殊要求，包括：傳感器及其連接電纜必須滿足防水要求，耐壓深度30 m，在結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝上具有抗腐蝕和水流沖擊能力，枯水期最低貯存溫度-40℃等。 根據(jù)上述要求，考慮到盡量減少安裝工作和連接電纜，本文采用ADXL330設(shè)計制作了適合水下振動測試的三軸加速度傳感器。

3.1 電路原理圖 由于ADXL330的靈敏度與供電電源的電壓成比例，為消除電源以及連接電線的影響，使各個傳感器具有互換性，采用穩(wěn)壓芯片為傳感器供電，,并將穩(wěn)壓芯片與傳感器芯片制作在同一線路板上，確保電源穩(wěn)定、一致、可靠，外部電源VCC經(jīng)穩(wěn)壓芯片LT1762-3.3得到VDC=3.3 V作為傳感器電源，因此傳感器靈敏度Sa=330 mv／g，外部電源可采用現(xiàn)場極易獲得的VDC=5 V，濾波電容采用0.001 μF，根據(jù)式(1)傳感器的-3 dB帶寬為500 Hz。

3.2 傳感器標(biāo)定 傳感器的標(biāo)定可以采用重力標(biāo)定方法，分別沿所要標(biāo)定的靈敏度軸將加速度計旋轉(zhuǎn)180°以上，并記錄傳感器輸出的最小值amin和最大值amax，則靈敏度Sa=(amax-amin)／2。

3.3 環(huán)境試驗 為了考核傳感器能否適應(yīng)所處工作環(huán)境和儲存環(huán)境，對所封裝后的傳感器進(jìn)行各項環(huán)境試驗，包括防水試驗、低溫工作和低溫儲存試驗等，防水試驗時，將傳感器置于2 MPa壓力的水中24 h后，檢查密封情況良好，然后測試其工作情況正常，低溫工作時，將傳感器置于低溫箱中，使溫度下降到-20℃并保持1 h，觀測傳感器的工作情況一直正常，低溫儲存試驗時，將低溫箱溫度降到-40℃并保持1 h后取出，在常溫存放0.5 h后進(jìn)行測量，傳感器工作情況正常。試驗結(jié)果如表1所示。由表1看出，傳感器靈敏度誤差較小，可滿足使用要求。

4 閘門振動測試與分析 為了準(zhǔn)確全面地捕捉各種運(yùn)行工況下閘門及閘墩等重要結(jié)構(gòu)部件在各個方向上的振動狀況，同時考慮到閘門及閘墩長期工作在水下以及安裝維護(hù)等方面的具體情況，應(yīng)用本文專門設(shè)計制作的耐高低溫變化和耐壓防水的三軸向振動加速度傳感器。

為了確保測試系統(tǒng)安全可靠，在測試系統(tǒng)配置上采用傳感器冗余配置，即在每個閘門上均設(shè)置了兩個三軸加速度傳感器,同時為減少水流對傳感器的沖刷，將測量閘門振動的傳感器安裝在閘門的背水面。圖5為所測閘門振動信號。在整個輸水期內(nèi)，振動測試系統(tǒng)一直處于正常工作狀態(tài)，為輸水系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行起到了保駕護(hù)航作用。

5 結(jié) 論 MEMS加速度計具有高集成度、低價格、高可靠性等優(yōu)點。

就我們本次文章中所介紹的ADXL330三軸加速度計芯片來看，根據(jù)水下結(jié)構(gòu)振動測試的特點和要求，設(shè)計了適合水下結(jié)構(gòu)振動測試的加速度傳感器以及振動測試系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于某輸水管線閘門振動監(jiān)測系統(tǒng)中?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，應(yīng)用該傳感器芯片構(gòu)成的三軸加速度傳感器能夠滿足水下結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測需要，具有低成本、高精度、易安裝和安全可靠等特點。