温度变化及振动条件下使用加速度计测量倾斜

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?

RAQ:  Issue 144

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0g偏置精度、焊接引起的0g偏置漂移、PCB外壳对准引起的0 g偏置漂移、0g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0g偏置漂移、使用寿命期间的灵敏度漂移、潮湿引起的0g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°C。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1. ADXL345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 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°C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2. ADXL355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 25 µg/√(Hz) 6.25 Hz时的带宽 78 µg 0.0045°
偏置漂移 Allan 偏差 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 µg 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°C至85°C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。

Equation 1

25°C到85°C范围内ADXL355的温度系数失调漂移为:

Equation 2

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0g失调与温度之比 (°/°C) 噪声密度(°/√(HZ) 振动校正(°/g2rms)
ADXL354 0.0085 0.0011 0.0231
ADXL355 0.0085 0.0014

0.0231

12.5grms振动导致的1g方位失调的范围为±2g

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4. ADXL354/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。

作者

Chris Murphy

Chris Murphy

Chris Murphy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。