ADXL357 加速度计原理及其在超声测井仪器中的应用

程林波，王文梁，李 学

（中海油田服务股份有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

三轴微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）加速度计依靠其优良的特性，在机器人惯导、平台平衡系统、飞行器导航以及车辆监测等行业得到了广泛的应用[1]。通过测量三个方向（X，Y，Z轴）的线性加速度，通过积分法得到平台载体的振动、位置等信息。MEMS 技术的研究水平随着惯导领域的巨大需求得到了迅猛的发展，也使得加速度计精度和稳定性的需求越发升高[2-6]。

本设计将ADXL357 芯片应用于超声成像仪数据采集与处理电路，通过高温实验验证该传感器的测量精度和长时间高温环境下的工作稳定性。

1 ADXL357 芯片简介

ADXL357 芯片是由美国ADI 公司研发的一款可选测量范围的三轴加速度传感器。其具有业界领先的低温漂（0 g 失调漂移）、低噪声以及低功耗等特点，工作稳定性较高。芯片外壳密封封装，满足工业环境温度-40～125 ℃，使其可在高温、高振动的恶劣环境下进行精准的加速度测量。ADXL357芯片具有数字输出接口，支持SPI 总线和I2C 总线通信；可选的测量范围为±10 g、±20 g 及±40 g。其广泛应用于惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）、姿态航向参考系统（Attitude Heading Reference System，AHRS）和状态监测等行业，具有如下特点：

（1）所有轴的最大温漂为0.75 mg/℃；

（3）低功耗测量模式下电流为200 μA，待机模式下为21 μA；

（4）芯片内部集成温度传感器和可编程的高通、低通数字滤波器。

2 ADXL357 芯片工作原理

ADXL357 芯片主要由前置的三轴加速度感应器测量加速度大小，内部由两个差动电容和弹性梁构成。当芯片水平放置时，X轴、Y轴没有受力，弹性梁未产生形变，差动电容输出电压为0。当有加速度在三轴方向施加压力时，弹性梁受力产生微小形变，使得差动电容输出电压改变，所以输出电压与芯片的倾斜程度呈一定的比例。随后对模拟电压进行数字转换，得到加速度值。

ADXL357 芯片内部结构如图1 所示，添加了三个高分辨率的∑-Δ ADC，参考电压为1.8 V，并且在ADC 前后采用抗混叠滤波器滤除噪声，避免频率混叠。内置温度传感器通过12 位逐次逼近寄存器（SAR）ADC 进行模数转换。加速度和温度数字量通过FIFO 传出至外部接口，从FIFO 地址读取数据，可保证与3 个轴上的3 个字节为同一时刻测量。

3 超声成像仪中ADXL357 芯片的高温实验

本设计使用超声成像仪实现声波测井，通过声波的幅度与频率反映井周介质的特性[7]。设计超声成像仪中的数据采集与处理电路来实现回波高速采集、参数提取以及数据解释处理等功能。超声成像仪数据处理与采集电路的结构功能如图2 所示。

图2 数据处理与采集电路结构功能图

仪器在井下作业时，受地层影响，会引起一定的振动。高振动环境会导致电路电子器件产生故障或性能下降。并且，剧烈振动会在回波中引入噪声，导致最后的数据解释处理产生误差。因此在电路中设计安装ADXL357 加速度计，对仪器的振动状态进行监测，当加速度值过大后对仪器进行调整和数据校正。

为了验证数据处理与采集电路中的ADXL357芯片在井下高温恶劣环境工作的稳定性，本设计构建了温度实验并搭建一套高温测试平台，得到芯片的稳定性和热噪声效果。本设计应用的高温实验平台如图3 所示。

图3 高温测试平台实物图

实验分别在20 ℃、85 ℃、110 ℃、130 ℃、140 ℃及150 ℃下进行数据采集，防止温度波动影响。当恒温箱到达预设温度值保持10 min 后读取数据，每个温度值下读取5 次，以便后续数据分析。将电路板水平固定在恒温箱中，保证测量得到的数值都是在同一静态加速度中，仅有Z方向的加速度。在温箱中设置温度梯度，测量X，Y，Z三个方向的输出情况和芯片自带的温度传感器输出的浮点温度值，观察稳定性。

恒温箱温度下对应的传感器测量温度如表1所示。可以看出，在高温条件下，ADXL357 芯片内置的温度传感器测温准确率较高。

表1 恒温箱温度下对应的传感器测量温度

图4 所示为不同温度下X轴的加速度值。取5次测量的平均值，计算出方差，观察ADXL357 在高温下的稳定性。从图中看出，加速度测量值随着温度升高而变化很小，对Y轴和Z轴测量的值经过同样处理，可以得到相同的结论，因此该加速度传感器在高温环境下仍然能够保持较高的精度，具有极低的温漂特性。并且，在同一温度下测量五次，计算得到的方差较小，说明该传感器工作稳定性较高。ADXL357 在高温环境下的稳定性。从图中看出，传感器水平放置时，X，Y轴加速度随着温度升高加速度值变化较小，由此可以说明该加速度传感器在高温环境下仍能保持较高的精度，具有极低的温漂特性。并且，在同一温度下测量5 次计算得到的方差较小，说明该传感器工作稳定性较高。

图4 X 轴加速度均值及方差

通过对ADXL357 芯片进行高温实验可知，该芯片内置温度传感器精度较高，在高温下测量三轴加速度值较为准确，温漂特性较好，并且长时间的工作可靠性较高。因此，在高温高振动恶劣环境下工作的超声测井仪数据采集与处理电路中应用ADXL357 芯片，可以满足实际测井需求。

4 结语

为解决井下高温高振动环境对声波测井仪的恶劣影响，本设计在超声测井仪数据采集与处理电路中应用ADXL357芯片，实现三轴振动加速度测量。当加速度过大时，可以及时调整仪器的工作状态。ADXL357 芯片输出数字接口，应用中可以简化整体电路设计，减少设计成本，降低电源功耗。针对电路搭建了一套高温测试平台，通过温度实验验证了该芯片测量三轴加速度精度较高，温漂特性较好，长时间处在高温环境下工作的稳定性较高，为测井行业的振动加速度测量工作提供了有益的参考。