建立高精度 MEMS 加速度计的基线性能

在本系列的第一部分中，我们探讨了 3 轴 ADXL355 MEMS 加速度计的内部架构。本文将说明如何采集可靠的初始数据集，以确认器件的噪声基底，并为后续的信号处理实验验证预期指标。

评估平台与数据采集

虽然加速度计的模拟输出可接入任意数据采集系统，但 Analog Devices 提供了紧凑的 EVAL-ADXL35x 评估板，可快速集成至嵌入式原型。本研究将该板卡安装在 SDP-K1 微控制器上，并通过免费的基于 ARM 的 Mbed 环境编程。SDP-K1 连接 PC 时会显示为外部驱动器，用户只需将编译后的二进制文件拖放到驱动器即可完成烧录。

Mbed 固件运行后，数据以 2 Hz 的速率通过 UART 流式传输至终端并记录。尽管 ADXL355 支持更高的输出速率，但本文重点关注足以建立基线的低速记录模式。

机械固定与初始测量

为获得稳定的测量表面，传感器通过 PanaVise 多关节臂配合吸盘座固定在玻璃台面上。虽然该夹具可能引入微小的倾斜风险，但它是一种低成本的方法，可在不移动整个台面的情况下改变传感器相对于重力的方向。ADXL355 按图 1 所示放置，采集了 60 秒的数据流用于初步分析。

图 2. 使用 EVAL-ADXL35x、SDP-K1 和 PanaVise 支架的测试设置（来源：Analog Devices）

图 3. ADXL355 无低通滤波器（寄存器 0x28=0x00）下的数据，采集时长 1 分钟（来源：Analog Devices）

从 120 个样本中计算，标准差范围为 800 µg 至 1.1 mg。ADXL355 数据手册给出的噪声密度为 25 µg/√Hz。在默认 1 kHz 带宽（启用 LPF）下，理论值为 25 µg/√Hz × √1000 Hz ≈ 791 µg rms（假设砖墙滤波器）。实测值落在这个理论范围内，确认了传感器的噪声性能符合预期。

启用数字低通滤波器后的噪声表现

大多数高精度应用不需要 1 kHz 带宽。将板载数字低通滤波器 (LPF) 配置为 4 Hz 后，有效噪声应按 √1000/√4 ≈ 16 的比例降低。Mbed 固件的修改如图 4 所示，结果数据如图 5 所示。表 1 汇总了各轴在有无 LPF 时的理论与实测噪声。

图 4. 配置寄存器的 Mbed 代码（来源：Analog Devices）

图 5. LPF 设为 4 Hz（寄存器 0x28=0x08）时的 ADXL355 数据，采集时长 1 分钟（来源：Analog Devices）

注意到 Y 轴噪声超过了理论预测。系统性排查发现，实验室的笔记本电脑风扇及其他设备风扇产生的振动主要沿 Y 方向。将传感器旋转使 X 轴对准振动源后，超额噪声转移到了 X 轴，这证实了观测到的差异源于外部机械干扰，而非传感器本身的固有离散。

热冲击响应测试

为评估传感器对快速热扰动的响应，使用 Weller 6966C 热风枪的“冷风”档（约 40 °C 温升）。ADXL355 内置温度传感器记录环境温度，热风吹向陶瓷封装（密封）。图 6 显示 Z 轴出现明显的 1.5 mg 偏移，而 X、Y 轴偏移较小。关闭热风枪后，Z 轴几乎瞬间恢复基线，如图 7 所示。

图 6. 热风枪冷风档下的 ADXL355 热冲击数据（来源：Analog Devices）

图 7. 热风枪在 t = 240 秒关闭时的 ADXL355 热冲击响应（来源：Analog Devices）

Z 轴的快速偏移（约 10 mg）远超数据手册中 100 µg/°C 的偏移温度系数。这种行为归因于硅芯片上的差异热应力，对 Z 向质量块影响更强。相比之下，40 °C 温升按偏移系数仅预测 4 mg 变化，表明观测到的效应是机械应力而非热漂移。

基于烤箱的温度表征（图 8）确认，在 -45 °C 至 +120 °C 范围内，以 5 °C/min 缓慢升温且不保温时，偏移温度系数约为 100 µg/°C。在 120 °C 下保温 15 分钟后，有效系数降至约 60 µg/°C，因为差异应力得到平衡。

图 8. ADXL355 烤箱温度表征（来源：Analog Devices）

这些基线测量证实：ADXL355 在配置合适的数字低通滤波器时，能够达到宣称的低噪声性能；快速热冲击会引起显著的偏移瞬变，设计时必须加以缓解。

本系列第三部分将探讨影响长期稳定性的其他因素，并提供机械设计指南以进一步提升传感器性能。

参考文献

• ¹ Chris Murphy, “Choosing the Most Suitable MEMS Accelerometer for Your Application—Part 1,” Analog Dialogue, vol. 51, no. 4, Oct 2017.
• ² Chris Murphy, “Accelerometer Tilt Measure Over Temperature and in the Presence of Vibration,” Analog Dialogue, Aug 2017.
• ³ SDP-K1 评估系统.
• ⁴ SDP-K1 的 Mbed 用户指南.
• ⁵ PanaVise 多关节臂支架.
• ⁶ Mbed 代码示例.
• ⁷ Weller 6966C 加热/制冷热风枪.
• ⁸ Parylene.