加速度傳感器ADXL105滿足車輛振動的測試要求

ADXL105加速度傳感器是Analog Devices公司研制的單軸加速度測量系統(tǒng)，它具有模擬輸出、高性能、高準確度的特點。ADXL105內(nèi)部包含一個多硅表面微處理傳感器和BIMOS信號控制電路，故可形成開環(huán)加速度測量結(jié)構(gòu)。與其它加速度計相比，ADXL105可以在很大程度上提高工作帶寬，并大幅度降低噪聲影響，0g偏差和溫度漂移也相對較低。測量范圍為-5～+5g；且分辨率很高，該器件可以分辨出低于2mg的加速度；ADXL105產(chǎn)生的一個模擬輸出電壓既可以用來測量靜態(tài)加速度（如重力加速度，或斜坡加速度等），又可用來測量動態(tài)加速度（如振動等）；且功耗極低（電流只有2mA）；最大可以容忍1000g的加速度；比例因子可調(diào)。

ADXL105在使用時，可將一個多硅線懸于晶體表面，以用來形成一個阻礙加速度的力。它使用一個由兩個相對獨立的固定板以及與運動體相連的中間板組成的差動電容器來測量該結(jié)構(gòu)的偏斜。固定板由一個180°的反向方波來驅(qū)動，而由偏斜引起的加速度來使差動電容器失衡，從而產(chǎn)生幅度與加速度成正比的方波輸出。然后采用相位解調(diào)技術(shù)校正信號，以確定加速度的方向。使用時ADXL105的0偏差及比例因子的初值，都要求進行直流校正。加速度較小時，重力加速度的影響比較穩(wěn)定，故可獲取準確易用的參考值。將ADXL105水平放在地表面上，此時加速度可認為是0，輸出值即為加速度為0時的輸出電壓，讀取它。將加速度計旋轉(zhuǎn)90°，加速度為1g，讀取輸出值。再旋轉(zhuǎn)180°，加速度為－1g，讀取輸出值。為了獲取比較準確的靈敏度，可采用以下公式：

靈敏度＝（1g讀數(shù)－（－1g的讀數(shù)））/2Ｖ/g （1）

這樣做的優(yōu)點在于軸上信號與角度的余弦值可以成正比，從而減小加速度計沒有對齊所帶來的誤差。比方說，如果有一個5°的方向偏差，測量結(jié)果只會產(chǎn)生0.4%的誤差。圖1所示是其等效的函數(shù)框圖。

圖1中主要包括三大部分：溫度傳感器，X傳感器以及一個放大器（Uncommitted Amplifer）。其中，X傳感器的輸出為250mV/g，使用時可根據(jù)實際應用需要自行設計電路，然后利用放大器Uncommitted Amplifer放大來自X傳感器的信號，從而使放大器Uncommitted Amplifer的輸出符合的A/D卡的輸入要求。

ADXL105工作電路的設計

車輛在行駛過程中，車輛振動的頻率主要在1～80Hz的范圍內(nèi)，尤其以1～40Hz頻率范圍的振動居多；而車輛傳給人體的振動，主要是10Hz以下的寬帶隨機振動。ADXL105加速度傳感器在低頻段具有很好的線性度，它能夠準確有效的測量頻率最低為1Hz。因而在進行平順性評價時，能夠很好的滿足被測信號的頻率范圍。在車輛平順性評價的測試系統(tǒng)中，加速度傳感器ADXL105的工作電路如圖2所示。

在應用電路中，加速度傳感器的供電電源的引腳VDD（也就是引腳13、14），應當直接連接在一起。由于ADXL105的地輸出（也就是引腳8AOUT的輸出）是和ADXL105的供電電源成線性比例關(guān)系的，因此，應在VDD和COM之間連接一個0.22μF電容來減小供電電源的噪聲。

兩個通用引腳COM（也就是引腳4和引腳7），應直接相連在一起，并通過引腳7接地。引腳ST（引腳6）用來控制自檢，當這個引腳被設置成電源引腳VDD時，靜電電壓施加在加速度計上，可能會引起電平的移動，從而引起加速度計的輸出變化，這樣通過檢測輸出的變化就可以檢測加速度計的機械和電氣特性。當加速度計處于正常工作狀態(tài)時，這個引腳可以處于懸空狀態(tài)，或者連接到通用引腳COM上。

在VDD等于5V的情況下，加速度計的AOUT（引腳8）輸出為250mV/g。由于250并不適合于所有的應用場合，為了和后續(xù)的DSP輸入端所要求的電壓范圍相匹配，本設計在AOUT（引腳8）后邊增加了一個放大器UCA，以用來放大250mV/g。放大倍數(shù)可以自己選擇。常用增益見表1所列，設計時可以根據(jù)電路實際需要選擇相應的R1和R2來決定放大倍數(shù)。

在25℃時，ADXL105的溫度傳感器輸出TOUT為2.5V。通常情況下，溫度每變化1℃，輸出會變化8mV/℃。且溫度傳感器的輸出和電源電壓成線性比例關(guān)系。

放大器UCA是低噪聲和低偏移的，可用來放大ADXL105的增益因子SCALE。其計算見公式（2），具體使用方法見圖2所示。由于加速度傳感器ADXL105的0g偏移量是2.5V±625mV，因此，當增益因子SCALE超過4時，UCA在0g的輸出可以在0～5V的范圍內(nèi)，這樣就可滿足很多應用電路的輸入要求。其實現(xiàn)方法是增加一個電阻R3和一個變電阻VR1（如圖2所示），這樣就把UCA變成了一個summing amplifier，調(diào)節(jié)VR1，就可以在0g時將UCA的輸出設置為VDD/2。

在用加速度傳感器ADXL105進行設計時，電磁場對它的輸出一般不會產(chǎn)生影響。由于ADXL105是線性化的，因此傳輸?shù)诫娫措妷憾薞DD上的噪聲會影響加速度傳感器的輸出，而且在ADXL105的內(nèi)部時鐘頻率（200kHz）附近，噪聲對輸出的影響更大。因此，保持低噪聲，及保持電源電壓“干凈”就顯得尤為重要。

ADXL105的測試

加速度傳感器硬件電路設計完成后，可在加速度傳感器上施加＋5V電壓。這樣，當傳感器水平放置時，在示波器上可測得其輸出為2.50V，垂直放置時，輸出為2.75V，倒立時，輸出為2.25V。在實驗室中，一塊彈性板在激振器施加的正弦激勵作用下發(fā)生振動，然后應用加速度傳感器ADXL105對其進行測試，就可在低頻情況下很好地測試彈性板的振動，這說明ADXL105加速度傳感器能夠很好的測試低頻振動，完全可以滿足平順性評價中對于車輛振動（1～80Hz）的測試要求。

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