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    溫度變化及振動條件下使用加速度計測量傾斜

    發(fā)布時間:2021-01-18 來源:Chris Murphy 責(zé)任編輯:wenwei

    【導(dǎo)讀】我的消費(fèi)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(xiàn)這樣的測量精度?答案很可能是否定的。關(guān)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(huán)境因素。通常,消費(fèi)級加速度計難以在動態(tài)環(huán)境中檢測小于1°的傾斜。為了表明這一點,我們將通用消費(fèi)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(jìn)行比較。這一比較著眼于傾斜應(yīng)用中存在的許多誤差源,以及可以補(bǔ)償或消除哪些誤差。
     
    問題:
     
    我的消費(fèi)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(xiàn)這樣的測量精度?
     
    答案:
     
    答案很可能是否定的。關(guān)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(huán)境因素。通常,消費(fèi)級加速度計難以在動態(tài)環(huán)境中檢測小于1°的傾斜。為了表明這一點,我們將通用消費(fèi)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(jìn)行比較。這一比較著眼于傾斜應(yīng)用中存在的許多誤差源,以及可以補(bǔ)償或消除哪些誤差。
     
    可以觀察到0g偏置精度、焊接引起的0g偏置漂移、PCB外殼對準(zhǔn)引起的0 g偏置漂移、0g偏置溫度系數(shù)、靈敏準(zhǔn)確度和溫度系數(shù)、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(zhǔn)流程減少這些誤差。滯后、使用壽命期間的0g偏置漂移、使用壽命期間的靈敏度漂移、潮濕引起的0g漂移以及溫度隨時間變化引起的PCB彎曲和扭轉(zhuǎn)等等,這些誤差項無法通過校準(zhǔn)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(shè)橫軸靈敏度、非線性度和靈敏度得到補(bǔ)償,因為相比溫度系數(shù)失調(diào)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(fèi)級 ADXL345 加速度計理想性能規(guī)格及相應(yīng)傾斜誤差 的估算值。試圖達(dá)到最佳傾斜精度時,必須采用某種形式的溫度穩(wěn)定或補(bǔ)償。在下面的例子中,假設(shè)恒溫為25°C。無法完全補(bǔ)償?shù)淖钪饕`差促成因素是溫漂失調(diào)、偏置漂移和噪聲。可以降低帶寬來降低噪聲,因為傾斜應(yīng)用通常需要低于1 kHz的帶寬。
     
    表1. ADXL345誤差源估算值
    溫度變化及振動條件下使用加速度計測量傾斜
     
    表2列出了適用于 ADXL355 的同一標(biāo)準(zhǔn)。短期偏置值根據(jù)ADXL355數(shù)據(jù)手冊中的Allan方差圖估算。25°C時,通用ADXL345的補(bǔ)償傾斜精度為0.1°,工業(yè)級ADXL355的補(bǔ)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(shù)、失調(diào)以及偏置漂移等性能方面的巨大飛躍,在動態(tài)條件下能夠提供更高水平的傾斜精度。
     
    表2. ADXL355誤差源估算值
    溫度變化及振動條件下使用加速度計測量傾斜
     
    選擇更高等級的加速度計對于實現(xiàn)所需性能至關(guān)重要,特別是應(yīng)用需要小于1°的傾斜精度時。應(yīng)用精度取決于應(yīng)用條件(溫度大幅波動,振動)和傳感器選擇(消費(fèi)級與工業(yè)級或戰(zhàn)術(shù)級)。在這種情況下,ADXL345將需要大量的補(bǔ)償和校準(zhǔn)工作才能實現(xiàn)小于1°的傾斜精度,增加整個系統(tǒng)的工作量和成本。根據(jù)最終環(huán)境和溫度范圍內(nèi)的振動大小,根本不可能實現(xiàn)上述精度。25°C至85°C范圍內(nèi)的溫度系數(shù)失調(diào)漂移為1.375°,已經(jīng)超過傾斜精度小于1°的要求。
     
    溫度變化及振動條件下使用加速度計測量傾斜
     
    25°C到85°C范圍內(nèi)ADXL355的溫度系數(shù)失調(diào)漂移為:
     
    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(diào)誤差。當(dāng)加速度計暴露于振動環(huán)境時,相比溫漂和噪聲導(dǎo)致的0 g失調(diào),VRE在傾斜測量中會導(dǎo)致明顯誤差。這是不再使用數(shù)據(jù)手冊的主要原因之一,因為很容易掩蓋其他主要規(guī)格。
     
    表3. 以傾斜度表示的誤差
    溫度變化及振動條件下使用加速度計測量傾斜
     
    12.5grms振動導(dǎo)致的1g方位失調(diào)的范圍為±2g。
     
    在具有較高振幅的環(huán)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(dǎo)致的失調(diào)。表4列出了ADXL35x系列加速度計及其相應(yīng)的g范圍和帶寬。
     
    表4. ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357的測量范圍
    溫度變化及振動條件下使用加速度計測量傾斜
     
    選擇適用于傾斜應(yīng)用的ADXL35x系列加速度計將確保高穩(wěn)定性和可重復(fù)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(bǔ)償和校準(zhǔn)更少。該系列產(chǎn)品采用密封封裝,可以確保最終產(chǎn)品出廠后重復(fù)性與穩(wěn)定性始終符合規(guī)格參數(shù)。ADI公司的新一代加速度計可在所有環(huán)境下提供可重復(fù)的傾斜測量,它們在惡劣環(huán)境中無需進(jìn)行大量校準(zhǔn)即可實現(xiàn)最小傾斜誤差。
     
     
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