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低噪声、低功耗加速度计的振动校正资料下载
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2021-04-06
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高性能MEMS加速度计为各种集成惯性测量的应用提供低成本解决方案。具体例子包括：导航和AHRS系统，用于机器健康状况检测的振动监控，基础设施的结构健康状况监控，以及用于平台稳定、井下定向钻探的倾斜监控、施工行业平路机和勘测设备的调平、吊车稳定系统吊杆倾角测量的高精度倾角计。在大多数此类例子中，加速度计会经受不同幅度的振动。这些应用的另一个不同方面是振动的频率成分。振动与传感器和系统误差源相结合可能导致振动校正，这是高性能加速度计的一个重要指标。本文说明MEMS加速度计中的振动校正是如何发生的，并讨论各种测量此参数的技术。作为案例研究，本文会讨论低噪声、低功耗加速度计ADXL355的振动校正。低振动校正误差以及所有其他特性，使这款器件成为上述精密应用的理想之选。
振动校正的来源
振动校正误差(VRE)是加速度计对交流振动（被整流为直流）的响应，表现为加速度计失调的异常偏移。在倾角计等应用中，这是一个重大误差源，因为加速度计的直流输出是目标信号，失调的任何改变都可能被错误地解读为倾角变化，导致误差一路向下传递，从而引起安全系统误触发、平台稳定或钻桅对准机制过度补偿等。
VRE高度依赖于加速度计所经受的振动特性曲线，不同应用施加于加速度计的振动模式会不同，因而VRE可能不同。振动校正有多种发生机制，本文讨论其中的两种。
非对称轨
第一种机制是非对称轨。重力产生一个静态1 g (9.8 m/s2)加速度场，当加速度计敏感轴竖直对齐时，其测量范围会有一个偏移。2 g满量程范围的传感器与重力加速度对齐时，将只能测量1 g峰值振动，否则响应会被削波。超过1 g的对称激励信号的平均值将不为零，原因是在经受额外1 g加速度的方向上，电平会被削波。
图1中，一个激励振动信号施加于2 g满量程传感器上。当振动为0.3 g rms（300到600样本之间）时，失调没有可观测的偏移。然而，当振动为1 g rms（600到1000样本之间）时，VRE约为–100 mg。
图1. ±2 g满量程范围的加速度计因为非对称削波而产生的振动校正图解
VRE可建模为一个截断分布的平均偏移，受加速度计满量程范围的限制。当传感器在1 g场中经受随机振动时，输入激励信号可建模为一个平均值μ= 1 g且标准差σ= X的正态分布，其中X表示输入振动幅度均方根值。传感器输出建模为双截断正态分布，输出值下界和上界分别为–R和 R，其中R为传感器的最大范围。此双截断正态分布的平均值计算如下：
其中，为概率密度函数，为其累积分布函数。α 和β 被定义为，。这样VRE即为：
比例因子非线性误差
非线性误差是指工作范围内加速度计输出与最佳拟合直线的偏差。此偏差常常用满量程输出范围的百分比表示。加速度计的非线性误差可能引起VRE，如下所示：
描述加速度计非线性的常见模型是n次多项式。输出ao (LSB)可表示为输入ai (g)的函数：
其中：
K0：失调 (LSB)
K1：比例因子 (LSB/g)
Kn：非线性的n次项系数，n = 2,3, … (LSB/gn)
考虑一个简单的正弦输入加速度：
此输入的时间平均值为零。加速度计的输出可表示为：
时间平均输出等于上式右侧所有分量的时间平均值之和。奇数次项的平均值为零。带入偶数次项的平均值 和 ，输出的时间平均值即为：
其中Grms为输入加速度的均方根值。上式说明，在一个正弦振动的情况下，二次非线性转换为直流失调的偏移 (K2Grms2)。项 代表振动校正系数(VRC)，单位为µg/g2-rms。
振动校正的幅度和频率相关性
振动幅度很小时，VRE以传感器非线性为主，可用VRC来表示： VRE = VRC × vib2rms。然而，当振动幅度大于满量程范围时，VRE往往以上一部分所述的非对称削波为主。另外，正如之前提到的，加速度计输出的任何非零失调也会引起非对称削波。大多数针对工业应用而设计的MEMS加速度计都会内置故障安全电路，在有很大振动时，它会关闭传感器偏置电路，防止检测元件受损。振动幅度很大时，此特性可能会在失调中进一步引起异常偏移，使VRE恶化。
由于各种谐振和器件中的滤波器，VRE常常具有很强的频率相关性。由于谐振器的两极响应，在传感器的谐振频率下，MEMS传感器谐振会放大振动，放大比率等于谐振品质因数，而在频率较高时则会抑制振动。谐振品质因数较高的传感器，振动幅度越大，其VRE也越大。由于高频带内振动的积分效应，较大的测量带宽也会引起较高的VRE。信号处理电路中实现的模拟和数字滤波器可抑制输出端的带外振动峰值和谐波，但对VRE没有明显作用，原因是振动输入被偶数次非线性整流为直流信号。
测量振动校正
一旦将加速度计部署于现场，便无法实时补偿VRE。在有些应用中，振动引起失调中出现较小直流偏移是可以容忍的，对此可以测量VRE以估计加速度计输出中的误差，从而确定VRE是否在允许限度内。在任何振动测量中，振动台和试验夹具必须平齐，并且必须使用精密振动台以抑制振动台跨轴振动、偏移和结构谐振引起的误差。另外，试验夹具必须具有适当的刚度，确保夹具谐振频率离加速度计带宽和振动曲线频段很远。最优夹具设计的最低谐振频率应当比最高振动频率高出大约50%。
正弦振动特性曲线
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