溫度變化及振動條件下使用加速度計測量傾斜

作者:ADI 歐洲中央應用中心的應用工程師Chris Murphy


問題:

我的消費性加速度計理論上可以測量小於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?

RAQ:  Issue 144

答案:

答案很可能是否定的。關於明確傾斜精度值的問題總是很難以回答,因為在MEMS感測器性能方面,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於1°的傾斜。為了說明這一點,我們將通用消費性加速度計與新一代低雜訊、低漂移和低功耗MEMS加速度計進行比較。這一個比較主要著眼於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。

我們可以觀察到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偏置溫度係數、靈敏準確度和溫度係數、非線性度以及橫軸靈敏度等誤差,並且可以透過裝配後校準流程減少這些誤差。滯後、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,這些誤差項無法透過校準或其他方法解決,需要透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,因為相較溫度係數失調漂移和振動校正,儘量減少這些誤差所需的工作量要少得多。

表1列出了消費性 ADXL345 加速度計理想性能規格及相應傾斜誤差的估算值。當試圖達到最佳傾斜精度時,必須採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、偏置漂移和雜訊。透過降低頻寬來降低雜訊是可行的,因為傾斜應用通常需要低於1 kHz的頻寬。

表1ADXL345誤差源估算值
感測器參數 典型性能 條件/注釋 典型g 應用 誤差(傾斜度)
雜訊

X/Y軸290 μg/√Hz

6.25 Hz時的頻寬 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頻寬 36.9 mg 2.1°
誤差 有補償 6.25 Hz頻寬 1.9 mg 0.1°

表2所列出的是適用於 ADXL355 的同一標準。短期偏置值則是根據ADXL355產品手冊中的Allan方差圖所估算的。當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°。透過比較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,比如雜訊引起的誤差從0.05°降低到0.0045°,偏置漂移引起的誤差從0.057°降低到0.00057°。這說明了MEMS電容式加速度計在雜訊、溫度係數、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準的傾斜精度。

表2ADXL355誤差源估算值
感測器參數 典型性能 條件/注釋 典型g 應用 誤差(傾斜度)
雜訊 25 µg/√(Hz) 6.25 Hz時的頻寬 78 µg 0.0045°
偏置漂移 Allan 偏差 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 頻寬 25 mg 1.43°
總誤差 有補償 6.25 Hz 頻寬 88 µg 0.005°

選擇更高等級的加速度計對於實現所需性能至關重要,特別是應用需要小於1°的傾斜精度時。應用精度取決於應用條件(溫度大幅波動,振動)和感測器選擇(消費性與工業級或策略級)。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於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範圍內的振動大小,根本不可能實現上述精度。25℃至85℃範圍內的溫度係數失調漂移為1.375°,已經超過傾斜精度小於1°的要求。

Equation 1

25℃到85℃範圍內ADXL355的溫度係數失調漂移為:

Equation 2

如表3所示,振動校正誤差(VRE)是加速度計暴露於寬頻振動時引入的失調誤差。當加速度計暴露於振動環境時,相較溫漂和雜訊導致的0 g失調,VRE在傾斜測量中會導致明顯誤差。這是不再使用產品手冊的主要原因之一,因為很容易掩蓋了其他的主要規格。

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(°/℃) 雜訊密度(°/√HZ) 振動校正(°/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

在具有較高振幅的環境中,必須使用較高g範圍的加速度計才能最大限度地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範圍和頻寬。

表4ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357的測量範圍
產品 測量範圍(g) 頻寬(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

選擇適用於傾斜應用的ADXL35x系列加速度計將確保高穩定性和可重複性,可以耐受溫度波動和寬頻振動,並且相較於較低成本的加速度計,其所需的補償和校準更少。該系列產品採用密封封裝,可以確保最終產品出廠後重複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複的傾斜測量,在惡劣環境中,它們無需進行大量校準即可實現最小傾斜誤差。

Author

Chris Murphy

Chris Murphy

Chris Murphy is an applications engineer with the European Centralized Applications Center, based in Dublin, Ireland. He has worked for Analog Devices since 2012, providing design support on motor control and industrial automation products. He holds a masterʼs of engineering in electronics by research and a bachelorʼs of engineering in computer engineering.