干货 | 温度变化及振动条件下使用加速度计测量倾斜

winniewei 提交于 周五, 01/15/2021
干货  温度变化及振动条件下使用加速度计测量倾斜

作者:Chris Murphy

问题:

我的消费级加速度计理论上可以测量小于1°的倾斜。在温度变化及振动条件下是否仍然可以实现这样的测量精度?

答案:

答案很可能是否定的。关于明确倾斜精度值的问题总是很难回答,因为在MEMS传感器性能方面需要考虑许多环境因素。通常,消费级加速度计难以在动态环境中检测小于1°的倾斜。为了表明这一点,我们将通用消费级加速度计与新一代低噪声、低漂移和低功耗MEMS加速度计进行比较。这一比较着眼于倾斜应用中存在的许多误差源,以及可以补偿或消除哪些误差。

可以观察到0 g偏置精度、焊接引起的0 g偏置漂移、PCB外壳对准引起的0 g偏置漂移、0 g偏置温度系数、灵敏准确度和温度系数、非线性度以及横轴灵敏度等误差,并且可以通过装配后校准流程减少这些误差。滞后、使用寿命期间的0 g偏置漂移、使用寿命期间的灵敏度漂移、潮湿引起的0 g漂移以及温度随时间变化引起的PCB弯曲和扭转等等,这些误差项无法通过校准或其他方法解决,需要通过一定程度的原位维修才能减少。在这一比较中,假设横轴灵敏度、非线性度和灵敏度得到补偿,因为相比温度系数失调漂移和振动校正,尽量减少这些误差所需的工作量要少得多。

表1列出了消费级ADXL345加速度计理想性能规格及相应倾斜误差的估算值。试图达到最佳倾斜精度时,必须采用某种形式的温度稳定或补偿。在下面的例子中,假设恒温为25℃。无法完全补偿的最主要误差促成因素是温漂失调、偏置漂移和噪声。可以降低带宽来降低噪声,因为倾斜应用通常需要低于1 kHz的带宽。

表1ADXL345误差源估算值

传感器参数

典型性能

条件/注释

典型g

应用

误差(倾斜度)

噪声

X/Y轴290 μg/√Hz

6.25 Hz时的带宽

0.9 mg

0.05°

偏置漂移

Allan偏差

短期(例如:10天)

1 mg

0.057°

初始失调

35 mg

无补偿

35 mg

有补偿

0 mg

误差

无补偿

6.25 Hz带宽

36.9 mg

2.1°

误差

有补偿

6.25 Hz带宽

1.9 mg

0.1°

表2列出了适用于ADXL355的同一标准。短期偏置值根据ADXL355数据手册中的Allan方差图估算。25℃时,通用ADXL345的补偿倾斜精度为0.1°,工业级ADXL355的补偿倾斜精度为0.005°。通过比较ADXL345和ADXL355可以看出,主要的误差促成因素引起的误差已显著降低,比如噪声引起的误差从0.05°降低到0.0045°,偏置漂移引起的误差从0.057°降低到0.00057°。这表明MEMS电容式加速度计在噪声、温度系数、失调以及偏置漂移等性能方面的巨大飞跃,在动态条件下能够提供更高水平的倾斜精度。

表2ADXL355误差源估算值

传感器参数

典型性能

条件/注释

典型g

Application

Error Tilt °

应用

误差(倾斜度)

Noise

噪声

25 μg/√Hz

Bandwidth at 6.25 Hz

6.25 Hz时的带宽

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轴短期(例如:10天)

<10 μg

0.00057°

初始失调

25 mg

无补偿

25 mg

1.43°

有补偿

0 mg

总误差

无补偿

6.25 Hz带宽

25 mg

1.43°

总误差

有补偿

6.25 Hz带宽

88 mg

0.005°

选择更高等级的加速度计对于实现所需性能至关重要,特别是应用需要小于1°的倾斜精度时。应用精度取决于应用条件(温度大幅波动,振动)和传感器选择(消费级与工业级或战术级)。在这种情况下,ADXL345将需要大量的补偿和校准工作才能实现小于1°的倾斜精度,增加整个系统的工作量和成本。根据最终环境和温度范围内的振动大小,根本不可能实现上述精度。25℃至85℃范围内的温度系数失调漂移为1.375°,已经超过倾斜精度小于1°的要求。

干货  温度变化及振动条件下使用加速度计测量倾斜

25℃到85℃范围内ADXL355的温度系数失调漂移为:

干货  温度变化及振动条件下使用加速度计测量倾斜

如表3所示,振动校正误差(VRE)是加速度计暴露于宽带振动时引入的失调误差。当加速度计暴露于振动环境时,相比温漂和噪声导致的0 g失调,VRE在倾斜测量中会导致明显误差。这是不再使用数据手册的主要原因之一,因为很容易掩盖其他主要规格。

表3以倾斜度表示的误差

 

最大倾斜误差0 g失调与温度之比(°/℃)

噪声密度(°/√HZ)

振动校正(°/g2rms)

ADXL354

0.0085

0.0011

0.0231

ADXL355

0.0085

0.0014

0.0231

12.5 g rms振动导致的1 g方位失调的范围为±2 g

在具有较高振幅的环境中,必须使用较高g范围的加速度计才能最大限度减少削波导致的失调。表4列出了ADXL35x系列加速度计及其相应的g范围和带宽。

表4ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357的测量范围

产品

测量范围(g)

带宽(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

选择适用于倾斜应用的ADXL35x系列加速度计将确保高稳定性和可重复性,可以耐受温度波动和宽带振动,并且相比较低成本的加速度计,所需的补偿和校准更少。该系列产品采用密封封装,可以确保最终产品出厂后重复性与稳定性始终符合规格参数。ADI公司的新一代加速度计可在所有环境下提供可重复的倾斜测量,它们在恶劣环境中无需进行大量校准即可实现最小倾斜误差。

Chris Murphy

Chris Murphy[christopher.murphy@analog.com]是欧洲中央应用中心的应用工程师,工作地点在爱尔兰都柏林。他于2012年加入ADI公司,为电机控制和工业自动化产品提供设计支持。他拥有电气工程研究硕士学位和计算机工程学士学位。

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