程林波，王文梁，李 學

（中海油田服務股份有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

三軸微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）加速度計依靠其優(yōu)良的特性，在機器人慣導、平臺平衡系統(tǒng)、飛行器導航以及車輛監(jiān)測等行業(yè)得到了廣泛的應用[1]。通過測量三個方向（X，Y，Z軸）的線性加速度，通過積分法得到平臺載體的振動、位置等信息。MEMS 技術(shù)的研究水平隨著慣導領(lǐng)域的巨大需求得到了迅猛的發(fā)展，也使得加速度計精度和穩(wěn)定性的需求越發(fā)升高[2-6]。

本設計將ADXL357 芯片應用于超聲成像儀數(shù)據(jù)采集與處理電路，通過高溫實驗驗證該傳感器的測量精度和長時間高溫環(huán)境下的工作穩(wěn)定性。

1 ADXL357 芯片簡介

ADXL357 芯片是由美國ADI 公司研發(fā)的一款可選測量范圍的三軸加速度傳感器。其具有業(yè)界領(lǐng)先的低溫漂（0 g 失調(diào)漂移）、低噪聲以及低功耗等特點，工作穩(wěn)定性較高。芯片外殼密封封裝，滿足工業(yè)環(huán)境溫度-40～125 ℃，使其可在高溫、高振動的惡劣環(huán)境下進行精準的加速度測量。ADXL357芯片具有數(shù)字輸出接口，支持SPI 總線和I2C 總線通信；可選的測量范圍為±10 g、±20 g 及±40 g。其廣泛應用于慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）、姿態(tài)航向參考系統(tǒng)（Attitude Heading Reference System，AHRS）和狀態(tài)監(jiān)測等行業(yè)，具有如下特點：

（1）所有軸的最大溫漂為0.75 mg/℃；

（3）低功耗測量模式下電流為200 μA，待機模式下為21 μA；

（4）芯片內(nèi)部集成溫度傳感器和可編程的高通、低通數(shù)字濾波器。

2 ADXL357 芯片工作原理

ADXL357 芯片主要由前置的三軸加速度感應器測量加速度大小，內(nèi)部由兩個差動電容和彈性梁構(gòu)成。當芯片水平放置時，X軸、Y軸沒有受力，彈性梁未產(chǎn)生形變，差動電容輸出電壓為0。當有加速度在三軸方向施加壓力時，彈性梁受力產(chǎn)生微小形變，使得差動電容輸出電壓改變，所以輸出電壓與芯片的傾斜程度呈一定的比例。隨后對模擬電壓進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，得到加速度值。

ADXL357 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，添加了三個高分辨率的∑-Δ ADC，參考電壓為1.8 V，并且在ADC 前后采用抗混疊濾波器濾除噪聲，避免頻率混疊。內(nèi)置溫度傳感器通過12 位逐次逼近寄存器（SAR）ADC 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。加速度和溫度數(shù)字量通過FIFO 傳出至外部接口，從FIFO 地址讀取數(shù)據(jù)，可保證與3 個軸上的3 個字節(jié)為同一時刻測量。

3 超聲成像儀中ADXL357 芯片的高溫實驗

本設計使用超聲成像儀實現(xiàn)聲波測井，通過聲波的幅度與頻率反映井周介質(zhì)的特性[7]。設計超聲成像儀中的數(shù)據(jù)采集與處理電路來實現(xiàn)回波高速采集、參數(shù)提取以及數(shù)據(jù)解釋處理等功能。超聲成像儀數(shù)據(jù)處理與采集電路的結(jié)構(gòu)功能如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理與采集電路結(jié)構(gòu)功能圖

儀器在井下作業(yè)時，受地層影響，會引起一定的振動。高振動環(huán)境會導致電路電子器件產(chǎn)生故障或性能下降。并且，劇烈振動會在回波中引入噪聲，導致最后的數(shù)據(jù)解釋處理產(chǎn)生誤差。因此在電路中設計安裝ADXL357 加速度計，對儀器的振動狀態(tài)進行監(jiān)測，當加速度值過大后對儀器進行調(diào)整和數(shù)據(jù)校正。

為了驗證數(shù)據(jù)處理與采集電路中的ADXL357芯片在井下高溫惡劣環(huán)境工作的穩(wěn)定性，本設計構(gòu)建了溫度實驗并搭建一套高溫測試平臺，得到芯片的穩(wěn)定性和熱噪聲效果。本設計應用的高溫實驗平臺如圖3 所示。

圖3 高溫測試平臺實物圖

實驗分別在20 ℃、85 ℃、110 ℃、130 ℃、140 ℃及150 ℃下進行數(shù)據(jù)采集，防止溫度波動影響。當恒溫箱到達預設溫度值保持10 min 后讀取數(shù)據(jù)，每個溫度值下讀取5 次，以便后續(xù)數(shù)據(jù)分析。將電路板水平固定在恒溫箱中，保證測量得到的數(shù)值都是在同一靜態(tài)加速度中，僅有Z方向的加速度。在溫箱中設置溫度梯度，測量X，Y，Z三個方向的輸出情況和芯片自帶的溫度傳感器輸出的浮點溫度值，觀察穩(wěn)定性。

恒溫箱溫度下對應的傳感器測量溫度如表1所示。可以看出，在高溫條件下，ADXL357 芯片內(nèi)置的溫度傳感器測溫準確率較高。

表1 恒溫箱溫度下對應的傳感器測量溫度

圖4 所示為不同溫度下X軸的加速度值。取5次測量的平均值，計算出方差，觀察ADXL357 在高溫下的穩(wěn)定性。從圖中看出，加速度測量值隨著溫度升高而變化很小，對Y軸和Z軸測量的值經(jīng)過同樣處理，可以得到相同的結(jié)論，因此該加速度傳感器在高溫環(huán)境下仍然能夠保持較高的精度，具有極低的溫漂特性。并且，在同一溫度下測量五次，計算得到的方差較小，說明該傳感器工作穩(wěn)定性較高。ADXL357 在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。從圖中看出，傳感器水平放置時，X，Y軸加速度隨著溫度升高加速度值變化較小，由此可以說明該加速度傳感器在高溫環(huán)境下仍能保持較高的精度，具有極低的溫漂特性。并且，在同一溫度下測量5 次計算得到的方差較小，說明該傳感器工作穩(wěn)定性較高。

圖4 X 軸加速度均值及方差

通過對ADXL357 芯片進行高溫實驗可知，該芯片內(nèi)置溫度傳感器精度較高，在高溫下測量三軸加速度值較為準確，溫漂特性較好，并且長時間的工作可靠性較高。因此，在高溫高振動惡劣環(huán)境下工作的超聲測井儀數(shù)據(jù)采集與處理電路中應用ADXL357 芯片，可以滿足實際測井需求。

4 結(jié)語

為解決井下高溫高振動環(huán)境對聲波測井儀的惡劣影響，本設計在超聲測井儀數(shù)據(jù)采集與處理電路中應用ADXL357芯片，實現(xiàn)三軸振動加速度測量。當加速度過大時，可以及時調(diào)整儀器的工作狀態(tài)。ADXL357 芯片輸出數(shù)字接口，應用中可以簡化整體電路設計，減少設計成本，降低電源功耗。針對電路搭建了一套高溫測試平臺，通過溫度實驗驗證了該芯片測量三軸加速度精度較高，溫漂特性較好，長時間處在高溫環(huán)境下工作的穩(wěn)定性較高，為測井行業(yè)的振動加速度測量工作提供了有益的參考。