加速度計，是測量運載體線加速度的儀表。加速度計由檢測質量(也稱敏感質量)、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。其中，在測量飛機過載的加速度計是最早獲得應用的飛機儀表之一。

加速度計 (accelerometer) 測量加速度的儀表。加速度測量是工程技術提出的重要課題。當物體具有很大的加速度時，物體及其所載的儀器設備和其他無相對加速度的物體均受到能產生同樣大的加速度的力，即受到動載荷。欲知動載荷就要測出加速度。其次，要知道各瞬時飛機、火箭和艦艇所在的空間位置，可通過慣性導航(見陀螺平臺慣性導航系統(tǒng))連續(xù)地測出其加速度，然后經過積分運算得到速度分量，再次積分得到一個方向的位置坐標信號，而三個坐標方向的儀器測量結果就綜合出運動曲線并給出每瞬時航行器所在的空間位置。再如某些控制系統(tǒng)中，常需要加速度信號作為產生控制作用所需的信息的一部分，這里也出現連續(xù)地測量加速度的問題。能連續(xù)地給出加速度信號的裝置稱為加速度傳感器。

加速度計是一種非常不錯的傳感器，可以檢測到開始傾塌的大橋在重力作用下，呈現細微的方向變化時的靜態(tài)和動態(tài)加速度。這些傳感器包括當您傾斜手機顯示屏時，可以改變顯示屏方向的手機應用器件，也包括受出口管制，可以幫助軍用車輛或航天器導航的戰(zhàn)術級器件。1但是，與大多數傳感器一樣，該傳感器在實驗室或試驗臺上表現出色是一回事，面對荒涼、不受控制的環(huán)境條件和溫度應力時要保持同等的系統(tǒng)級性能，則完全是另一回事了。像人類一樣，當加速度計在其生命周期中承受了前所未有的應力時，系統(tǒng)會做出反應并可能因這些應力的影響而發(fā)生故障。

常見加速度計的構件如下：外殼(與被測物體固連)、參考質量，敏感元件、信號輸出器等。加速度計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。以不同原理為依據的加速度計，其量程不同(從幾個g到幾十萬個g)，它們對突變加速度頻率的敏感性也各不相同。常見的加速度計所依據的原理有：①參考質量由彈簧與殼體相連(見圖)，它和殼體的相對位移反映出加速度分量的大小，這個信號通過電位器以電壓量輸出;②參考質量由彈性細桿與殼體固連，加速度引起的動載荷使桿變形，用應變電阻絲感應變形的大小，其輸出量是正比于加速度分盤大小的電信號;③參考質量通過壓電元件與殼體固連，質量的動載荷對壓電元件產生壓力，壓電元件輸出與壓力即加速度分量成比例的電信號：④參考質量由彈簧與殼體連接，放在線圈內部，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。此外，尚有伺服類型的加速度計，其中引入一個反饋回路，以提高測量的精度。為了測出在平面或空間的加速度矢量，需要兩個或三個加速度計，各測量一個加速度分量。

加速度計由檢測質量(也稱敏感質量)、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。檢測質量受支承的約束只能沿一條軸線移動，這個軸常稱為輸入軸或敏感軸。當儀表殼體隨著運載體沿敏感軸方向作加速運動時，根據牛頓定律，具有一定慣性的檢測質量力圖保持其原來的運動狀態(tài)不變。它與殼體之間將產生相對運動，使彈簧變形，于是檢測質量在彈簧力的作用下隨之加速運動。當彈簧力與檢測質量加速運動時產生的慣性力相平衡時，檢測質量與殼體之間便不再有相對運動，這時彈簧的變形反映被測加速度的大小。電位器作為位移傳感元件把加速度信號轉換為電信號，以供輸出。加速度計本質上是一個一自由度的振蕩系統(tǒng)，須采用阻尼器來改善系統(tǒng)的動態(tài)品質。

高精度傾斜檢測系統(tǒng)在校準之后，傾斜精度一般可以優(yōu)于1°。使用市場領先的超低噪聲和高度穩(wěn)定的加速度計，例如ADXL354或ADXL355，通過對可觀測到的誤差源進行校準，其傾斜精度可以達到0.005°。2但是，只有在適當減輕應力的情況下才能達到這種精度水平。例如，傳感器承受的壓縮/拉應力可能導致其出現高達20 mg的偏移，使得傾斜誤差超過1°。

ADXL35x系列加速度計包含一個彈簧質量系統(tǒng)，這與許多其他的MEMS加速度計類似。質量響應外部加速度(靜態(tài)加速度(如重力)或動態(tài)加速度(如速度變化))而移動，其物理位移通過傳導機制進行檢測。MEMS傳感器采用的最常見的傳導機制包括電容式、壓阻式、壓電式或磁性。ADXL355采用電容傳導機制，通過電容變化來檢測移動，而電容變化通過讀取電路可轉換為電壓或電流輸出。雖然ADXL355對硅芯片上的所有三軸傳感器都采用了電容傳導機制，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架構。X/Y傳感器均基于差分平面內叉指，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力或拉應力，MEMS芯片會翹曲。由于檢測質量塊通過彈簧懸掛在襯底上方，所以不會和襯底一起翹曲，但質量塊和襯底之間的間隙會發(fā)生變化。對于X/Y傳感器，由于平面內位移對叉指電容變化的影響最大，所以間隙不在電容靈敏度這個方向，這是由邊緣電場的補償作用導致的。但是，對于Z傳感器，襯底和檢測質量塊之間的間隙實際上是檢測間隙。所以，它會對Z傳感器產生直接影響，因為它有效改變了Z傳感器的檢測間隙。此外，Z傳感器位于芯片中央，只要芯片受到任何應力，該位置都會產生最大程度翹曲。

除了物理應力之外，由于在大多數應用中，z軸上的熱傳遞都不對稱，所以z軸傳感器上經常存在溫度梯度。在典型應用中，傳感器焊接在印刷電路板(PCB)上，而且整個系統(tǒng)都在封裝內。X和Y軸的熱傳遞主要通過封裝周邊的焊點來傳遞，并傳遞到對稱的PCB上。但是，在z方向，由于芯片頂部存在焊點和對流，所以熱傳遞通過底部傳導，熱量會通過空氣傳遞到封裝外。由于這種不匹配，z軸上會出現殘余的溫差梯度。與物理壓縮/拉應力一樣，這會使z軸上出現并非由加速度導致的偏移。

受環(huán)境應力影響的數據評述

ADXL354(模擬輸出)加速度計可以連接至任何模擬數據采集系統(tǒng)來實施數據分析，而ADXL355評估板經過優(yōu)化，可直接放入客戶系統(tǒng)中，從而簡化了現有嵌入式系統(tǒng)的原型設計。為了闡明本文主旨，我們使用了小型評估板EVAL-ADXL35x。為了記錄和分析數據，我們將EVAL-ADXL35x連接至SDP-K1微控制器板，并使用Mbed環(huán)境進行編程。Mbed是適用于ARM微控制器板的開源和免費開發(fā)環(huán)境，配有一個在線編譯器，可以幫助您快速構建。SDP-K1板在連接至PC時，會顯示為外部驅動器。要對該板編程時，只需將編譯器生成的二進制文件拖放到SDP-K1驅動器中即可。

一旦Mbed系統(tǒng)通過UART記錄數據，就形成了一個基本的測試環(huán)境，可以嘗試進行ADXL355實驗，并將輸出傳輸到簡單端口，用于記錄數據和進一步分析。需要注意的是，無論加速度計的輸出數據速率是多少，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。

良好的初始數據集有助于確定基準性能，并驗證我們后續(xù)進行的大部分數據分析中可能出現的噪聲水平。使用具有吸盤裝置的PanaVise鉸接式虎鉗5，這樣將該設備粘附在玻璃表面時，就可以通過工作臺設置實現相當穩(wěn)定的工作表面。采用這種配置，ADXL355板(從側面固定)與實驗室工作臺一樣穩(wěn)定。更高級的電力用戶可能會注意到，安裝這種虎鉗存在傾翻風險，但這是一種簡單而經濟的方法，可以根據重力改變方向。如圖2所示安裝ADXL355板之后，持續(xù)60秒采集一組數據進行首次分析。