溫度變化及振動(dòng)條件下使用加速度計(jì)測量傾斜
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問題：
我的消費(fèi)級加速度計(jì)理論上可以測量小于1°的傾斜。在溫度變化及振動(dòng)條件下是否仍然可以實(shí)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?yàn)樵贛EMS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(jì)難以在動(dòng)態(tài)環(huán)境中檢測小于1°的傾斜。為了表明這一點(diǎn)，我們將通用消費(fèi)級加速度計(jì)與新一代低噪聲、低漂移和低功耗MEMS加速度計(jì)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0 g偏置精度、焊接引起的0 g偏置漂移、PCB外殼對準(zhǔn)引起的0 g偏置漂移、0 g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(shí)間變化引起的PCB彎曲和扭轉(zhuǎn)等等，這些誤差項(xiàng)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?yàn)橄啾葴囟认禂?shù)失調(diào)漂移和振動(dòng)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(jì)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(shí)，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℃。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?yàn)閮A斜應(yīng)用通常需要低于1 kHz的帶寬。
表1 ADXL345誤差源估算值
傳感器參數(shù) | 典型性能 | 條件/注釋 | 典型g值 | 應(yīng)用 誤差（傾斜度） |
噪聲 | X/Y軸290 μg/√Hz | 6.25 Hz時(shí)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(diào) | 35 mg | 無補(bǔ)償 | 35 mg | 2° |
有補(bǔ)償 | 0 mg | 0° | ||
誤差 | 無補(bǔ)償 | 6.25 Hz帶寬 | 36.9 mg | 2.1° |
誤差 | 有補(bǔ)償 | 6.25 Hz帶寬 | 1.9 mg | 0.1° |
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℃時(shí)，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(jì)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(dòng)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
傳感器參數(shù) | 典型性能 | 條件/注釋 | 典型g值 | 應(yīng)用 誤差（傾斜度） |
噪聲 | 25 μg/√Hz | 6.25 Hz時(shí)的帶寬 | 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(diào) | 25 mg | 無補(bǔ)償 | 25 mg | 1.43° |
有補(bǔ)償 | 0 mg | 0° | ||
總誤差 | 無補(bǔ)償 | 6.25 Hz帶寬 | 25 mg | 1.43° |
總誤差 | 有補(bǔ)償 | 6.25 Hz帶寬 | 88 mg | 0.005° |
選擇更高等級的加速度計(jì)對于實(shí)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(shí)。應(yīng)用精度取決于應(yīng)用條件（溫度大幅波動(dòng)，振動(dòng)）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(shí)現(xiàn)小于1°的傾斜精度，增加整個(gè)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(dòng)大小，根本不可能實(shí)現(xiàn)上述精度。25℃至85℃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。
25℃到85℃范圍內(nèi)ADXL355的溫度系數(shù)失調(diào)漂移為：
如表3所示，振動(dòng)校正誤差(VRE)是加速度計(jì)暴露于寬帶振動(dòng)時(shí)引入的失調(diào)誤差。當(dāng)加速度計(jì)暴露于振動(dòng)環(huán)境時(shí)，相比溫漂和噪聲導(dǎo)致的0 g失調(diào)，VRE在傾斜測量中會(huì)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?yàn)楹苋菀籽谏w其他主要規(guī)格。
表3 以傾斜度表示的誤差
最大傾斜誤差0 g失調(diào)與溫度之比(°/℃) | 噪聲密度(°/√HZ) | 振動(dòng)校正(°/g2rms) | |
ADXL354 | 0.0085 | 0.0011 | 0.0231 |
ADXL355 | 0.0085 | 0.0014 | 0.0231 |
12.5 g rms振動(dòng)導(dǎo)致的1 g方位失調(diào)的范圍為±2 g
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(jì)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(jì)及其相應(yīng)的g范圍和帶寬。
表4 ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357的測量范圍
產(chǎn)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(yīng)用的ADXL35x系列加速度計(jì)將確保高穩(wěn)定性和可重復(fù)性，可以耐受溫度波動(dòng)和寬帶振動(dòng)，并且相比較低成本的加速度計(jì)，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(jì)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(shí)現(xiàn)最小傾斜誤差。
Chris Murphy
Chris Murphy是歐洲中央應(yīng)用中心的應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)在愛爾蘭都柏林。他于2012年加入ADI公司，為電機(jī)控制和工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品提供設(shè)計(jì)支持。他擁有電氣工程研究碩士學(xué)位和計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位。
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