ADXL330三軸加速度計在水下的相關運用領域

ADXL330是美國模擬器件公司(ADI)推出的一款帶有信號調理電路的高精度模擬三軸加速度傳感器，A它可以使用於測量傾斜檢測應用中的靜態重力加速度，以及運動、衝擊或振動導致的動態加速度等。

精準測控作為美國ADI在中國地區的代理商，精準測控作為國內專業傳感器,擁有自主生產研發的陀螺儀傳感器、加速度計、傾角傳感器、磁羅盤等產品,主要為用戶提供慣性導航系統、組合導航系統、IMU、航姿系統等，美國ADXL330三軸加速度計相關的特點：

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,抗衝擊能力：10,000 g出色的溫度穩定性通過各軸的一個電容調整相應的帶寬符合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構振動測試中的應用情況及場景：

輸水管道的流量控制一般通過調節閘門開度大小做到，某水利樞紐工程的輸水管道由兩個管線組成，每個管線均設計由出口控制閘門，閘門尺寸達到3 m×3 m，孔口尺寸為2.5 m×2.5 m，設計水頭為65 m，其中35 m為擋水頭，30 m為水擊壓力產生的水頭，根據樞紐布置及閘門運行要求，為避免管道產生過大的水擊壓力，設計下遊水位較高，閘門始終處於淹沒狀態下工作，大大增加了誘發閘門結構振動的可能性，為了適時調節閘門開度，確保下泄流量，工作閘門需長時間局部開啟運行，出口閘門的水力特性和誘發振動是極其複雜的流固耦合問題。

因此，通過振動在線監測分析，對確保閘門及閘墩的安全運行具有重要作用，是確保引水工程安全運行的關鍵技術問題之一，為了有效地監測水下閘門振動，本文在分析ADXL330三軸加速度計結構、工作原理和標定方法的基礎上，根據水下結構振動測試的特點和要求，設計了基於ADXL330的水下結構振動監測加速度傳感器，並應用於輸水管道閘門振動的監測系統中。

2 ADXL330加速度計將運動加速度或重力轉換為電信號的傳感器，主要用於振動參數的測量，在工業測量與控制中有著廣泛應用，加速度計按測量軸數目分為單軸、雙軸、三軸，傳統的加速度計是由壓電材料制成的。

這種傳感器採用表面微處理加工技術製造，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。當施加了加速度時，中心薄片移近某一固定薄片遠離另一固定薄片，引起電容變化，通過測量電路將電容量的變化轉換為電壓輸出，就能夠測得相應的加速度值，ADXL330在16引腳晶片級封裝(4 mm×4mm×1.45 mm)內集成了一個三軸傳感單元及其信號調理電路，如圖2所示，DXL330是美國ADI公司採用MEMS技術生產的新型三軸加速度計晶片。

ADXL330具有最大±3.6g測量範圍，能夠測量靜態重力加速度，以及由運動、衝擊或振動產生的動態加速度，具有10000g額定耐衝擊強度， ADXL330採用單電源供電，電壓範圍為2.0～3.6 V，ADXL330的帶寬範圍為0.5 Hz～1.6kHz，由內置電阻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計 由於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精度和穩定性等要求外，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，在結構設計與安裝上具有抗腐蝕和水流衝擊能力，枯水期最低貯存溫度-40℃等。 根據上述要求，考慮到盡量減少安裝工作和連接電纜，本文採用ADXL330設計製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 由於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，採用穩壓晶片為傳感器供電，,並將穩壓晶片與傳感器晶片製作在同一線路板上，確保電源穩定、一致、可靠，外部電源VCC經穩壓晶片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，外部電源可採用現場極易獲得的VDC=5 V，濾波電容採用0.001 μF，根據式(1)傳感器的-3 dB帶寬為500 Hz。

3.2 傳感器標定 傳感器的標定可以採用重力標定方法，分別沿所要標定的靈敏度軸將加速度計旋轉180°以上，並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 環境試驗 為了考核傳感器能否適應所處工作環境和儲存環境，對所封裝後的傳感器進行各項環境試驗，包括防水試驗、低溫工作和低溫儲存試驗等，防水試驗時，將傳感器置於2 MPa壓力的水中24 h後，檢查密封情況良好，然後測試其工作情況正常，低溫工作時，將傳感器置於低溫箱中，使溫度下降到-20℃並保持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℃並保持1 h後取出，在常溫存放0.5 h後進行測量，傳感器工作情況正常。試驗結果如表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 為了準確全面地捕捉各種運行工況下閘門及閘墩等重要結構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等方面的具體情況，應用本文專門設計製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。

為了確保測試系統安全可靠，在測試系統配置上採用傳感器冗餘配置，即在每個閘門上均設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，振動測試系統一直處於正常工作狀態，為輸水系統安全可靠運行起到了保駕護航作用。

5 結 論 MEMS加速度計具有高集成度、低價格、高可靠性等優點。

就我們本次文章中所介紹的ADXL330三軸加速度計晶片來看，根據水下結構振動測試的特點和要求，設計了適合水下結構振動測試的加速度傳感器以及振動測試系統，並成功應用於某輸水管線閘門振動監測系統中。現場應用表明，應用該傳感器晶片構成的三軸加速度傳感器能夠滿足水下結構振動監測需要，具有低成本、高精度、易安裝和安全可靠等特點。