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      干貨 | 溫度變化及振動條件下使用加速度計測量傾斜

      作者:Chris Murphy

      問題:

      我的消費級加速度計理論上可以測量小于1°的傾斜。在溫度變化及振動條件下是否仍然可以實現這樣的測量精度?

      答案:

      答案很可能是否定的。關于明確傾斜精度值的問題總是很難回答,因為在MEMS傳感器性能方面需要考慮許多環境因素。通常,消費級加速度計難以在動態環境中檢測小于1°的傾斜。為了表明這一點,我們將通用消費級加速度計與新一代低噪聲、低漂移和低功耗MEMS加速度計進行比較。這一比較著眼于傾斜應用中存在的許多誤差源,以及可以補償或消除哪些誤差。

      可以觀察到0?g偏置精度、焊接引起的0?g偏置漂移、PCB外殼對準引起的0?g偏置漂移、0?g偏置溫度系數、靈敏準確度和溫度系數、非線性度以及橫軸靈敏度等誤差,并且可以通過裝配后校準流程減少這些誤差。滯后、使用壽命期間的0?g偏置漂移、使用壽命期間的靈敏度漂移、潮濕引起的0?g漂移以及溫度隨時間變化引起的PCB彎曲和扭轉等等,這些誤差項無法通過校準或其他方法解決,需要通過一定程度的原位維修才能減少。在這一比較中,假設橫軸靈敏度、非線性度和靈敏度得到補償,因為相比溫度系數失調漂移和振動校正,盡量減少這些誤差所需的工作量要少得多。

      表1列出了消費級ADXL345加速度計理想性能規格及相應傾斜誤差的估算值。試圖達到最佳傾斜精度時,必須采用某種形式的溫度穩定或補償。在下面的例子中,假設恒溫為25℃。無法完全補償的最主要誤差促成因素是溫漂失調、偏置漂移和噪聲??梢越档蛶拋斫档驮肼?,因為傾斜應用通常需要低于1 kHz的帶寬。

      表1ADXL345誤差源估算值

      傳感器參數

      典型性能

      條件/注釋

      典型g

      應用

      誤差(傾斜度)

      噪聲

      X/Y軸290 μg/√Hz

      6.25 Hz時的帶寬

      0.9 mg

      0.05°

      偏置漂移

      Allan偏差

      短期(例如:10天)

      1 mg

      0.057°

      初始失調

      35 mg

      無補償

      35 mg

      有補償

      0 mg

      誤差

      無補償

      6.25 Hz帶寬

      36.9 mg

      2.1°

      誤差

      有補償

      6.25 Hz帶寬

      1.9 mg

      0.1°

      表2列出了適用于ADXL355的同一標準。短期偏置值根據ADXL355數據手冊中的Allan方差圖估算。25℃時,通用ADXL345的補償傾斜精度為0.1°,工業級ADXL355的補償傾斜精度為0.005°。通過比較ADXL345和ADXL355可以看出,主要的誤差促成因素引起的誤差已顯著降低,比如噪聲引起的誤差從0.05°降低到0.0045°,偏置漂移引起的誤差從0.057°降低到0.00057°。這表明MEMS電容式加速度計在噪聲、溫度系數、失調以及偏置漂移等性能方面的巨大飛躍,在動態條件下能夠提供更高水平的傾斜精度。

      表2ADXL355誤差源估算值

      傳感器參數

      典型性能

      條件/注釋

      典型g

      Application

      Error Tilt °

      應用

      誤差(傾斜度)

      Noise

      噪聲

      25 μg/√Hz

      Bandwidth at 6.25 Hz

      6.25 Hz時的帶寬

      78 μg

      0.0045°

      Bias drift

      偏置漂移

      Allan deviation

      Allan偏差

      X/Y axis short-term (for example, 10 days)

      X/Y軸短期(例如:10天)

      <10 μg

      0.00057°

      初始失調

      25 mg

      無補償

      25 mg

      1.43°

      有補償

      0 mg

      總誤差

      無補償

      6.25 Hz帶寬

      25 mg

      1.43°

      總誤差

      有補償

      6.25 Hz帶寬

      88 mg

      0.005°

      選擇更高等級的加速度計對于實現所需性能至關重要,特別是應用需要小于1°的傾斜精度時。應用精度取決于應用條件(溫度大幅波動,振動)和傳感器選擇(消費級與工業級或戰術級)。在這種情況下,ADXL345將需要大量的補償和校準工作才能實現小于1°的傾斜精度,增加整個系統的工作量和成本。根據最終環境和溫度范圍內的振動大小,根本不可能實現上述精度。25℃至85℃范圍內的溫度系數失調漂移為1.375°,已經超過傾斜精度小于1°的要求。

      干貨  溫度變化及振動條件下使用加速度計測量傾斜

      25℃到85℃范圍內ADXL355的溫度系數失調漂移為:

      干貨  溫度變化及振動條件下使用加速度計測量傾斜

      如表3所示,振動校正誤差(VRE)是加速度計暴露于寬帶振動時引入的失調誤差。當加速度計暴露于振動環境時,相比溫漂和噪聲導致的0?g失調,VRE在傾斜測量中會導致明顯誤差。這是不再使用數據手冊的主要原因之一,因為很容易掩蓋其他主要規格。

      表3以傾斜度表示的誤差

      ?

      最大傾斜誤差0?g失調與溫度之比(°/℃)

      噪聲密度(°/√HZ)

      振動校正(°/g2rms)

      ADXL354

      0.0085

      0.0011

      0.0231

      ADXL355

      0.0085

      0.0014

      0.0231

      12.5 g rms振動導致的1 g方位失調的范圍為±2 g

      在具有較高振幅的環境中,必須使用較高g范圍的加速度計才能最大限度減少削波導致的失調。表4列出了ADXL35x系列加速度計及其相應的g范圍和帶寬。

      表4ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357的測量范圍

      產品

      測量范圍(g)

      帶寬(kHz)

      ADXL354B

      ±2, ±4

      1

      ADXL354C

      ±2, ±8

      1

      ADXL355B

      ±2, ±4, ±8

      1.5

      ADXL356B

      ±10, ±20

      1.5

      ADXL356C

      ±10, ±40

      1.5

      ADXL357B

      ±10.24, ±20.48, ±40.96

      1

      選擇適用于傾斜應用的ADXL35x系列加速度計將確保高穩定性和可重復性,可以耐受溫度波動和寬帶振動,并且相比較低成本的加速度計,所需的補償和校準更少。該系列產品采用密封封裝,可以確保最終產品出廠后重復性與穩定性始終符合規格參數。ADI公司的新一代加速度計可在所有環境下提供可重復的傾斜測量,它們在惡劣環境中無需進行大量校準即可實現最小傾斜誤差。

      Chris Murphy

      Chris Murphy[christopher.murphy@analog.com]是歐洲中央應用中心的應用工程師,工作地點在愛爾蘭都柏林。他于2012年加入ADI公司,為電機控制和工業自動化產品提供設計支持。他擁有電氣工程研究碩士學位和計算機工程學士學位。

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