倾斜测量的加速度计与振动矫正误差

加速度计是一类能够测量加速度、振动、冲击、倾斜的传感器。从加速度、振动、冲击、倾斜这几个检测方向上看，加速度计在物联网消费电子、汽车、工业控制等领域无疑是很多用武之地的。在之前工业系统状态监测的应用中，我们已经看到了加速度计，尤其是MEMS加速度计突出的能力。这仅是其中一个方向，根据不同应用需求，每个场景对加速度计的要求都不尽相同。
 
不同应用场景下的加速度需求
 
对于消费电子场景来说，加速度计主要对运动状态、静止状态的目标完成加速度测量，这种应用对于加速度计带宽不作要求（一般不作要求，即0Hz），其g值范围在1g左右。这类应用更看重加速度器件的功耗是否足够低，这也是消费电子共通的一点。
 
汽车应用主要需要应用加速度计检测碰撞和稳定性，这种检测需求对带宽开始提出要求，一般应用在碰撞和稳定性检测上的带宽起码需要在100Hz，碰撞的g值范围在200g左右，稳定性g值范围在2g左右。
 

 

（加速度计，NXP）

 
工业上的细分应用方向有很多，状态监测是很重要的一个应用方向，常见的倾斜检测、冲击检测也都会有涉及。工业应用上的加速度计对带宽的要求较为浮动，有些只需要5Hz左右的带宽，有些应用会需要超过500Hz的带宽。工业级别的加速度计g值范围因为不涉及碰撞所以大多在25g这个范围内。至于等级更高的应用，如飞行导航、导航武器等等会对带宽要求更高，这里不做讨论。
 
除了这两个重要的指标，封装、稳定性、噪声性能以及功耗亦是此类传感器在每一类应用中都较敏感的指标。
 
倾斜检测的加速度计如何选择？
 
利用MEMS加速度计实现0.1°精度的倾斜检测不是一件容易的事，尤其是电容式加速度计。在有振动的动态工况下实现此精度更难，振动会破坏掉倾斜数据，引起严重的测量误差。应该说＜1°的倾斜检测对于器件来说并不是那么容易实现的。
 
要实现这一类精确检测，偏置稳定度、失调温漂、低噪声以及振动校正是极为关键的。这里面涉及到的误差有些是可以直接观测到的，有些则不能。可以直接观测到的误差可以通过校准流程来消除，是相对来说比较好解决的。难解决的是无法通过校准解决的误差，只能通过一定程度的原位维修才能减少此类偏差。
 
为了解决这些难以观测的误差，动态应用下的加速度计开始往高集成度发展并且向可编程发展。往往会集成全面的工厂校准、嵌入式补偿和信号处理来解决本该应用原位维修的误差。集成信号处理和特定器件的校准给精度带来了很大的提升，全面的工厂校准代替系统级校准为整个传感器信号链提供了额温内的高灵敏度和偏置特性。 

（3轴低噪声MEMS加速度计，ADI）
 

更低噪声密度的同样是加速度计器件追求的，目前高性能的数字MEMS加速度计往往有着小于25µg/Hz的噪声密度，这会大大提升器件检测微弱振动信号的能力。这种数字输出特性也与高分辨率的ADC有密不可分的关系，当然也可以通过降低带宽来降低噪声。通过各类集成功能与噪声、偏置漂移的优化，器件在动态条件下的倾斜精度的会大大提升。
 
振动校正误差
 
上面我们说到了振动校正，振动与传感器以及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。在绝大多数场景中，加速度计都会不可避免地经受不同幅度的振动。振动校正误差（VRE）是加速度计对交流振动的响应，在上述的倾角检测中极容易导致误差一路向下传递。
 
器件对振动校正误差的抑制能力如果在消费级应用中，通常不需要过多考虑，多数消费级器件不会提供诸如振动校正、角度随机游走之类的参数规格，而这些规格在工业应用中恰恰可能是最大的误差源，尤其在惯性导航等高要求应用中，而且这个参数通常厂商不会在数据手册上直白地写出来。振动校正误差与频率直接相关，较大测量带宽会将高频带振动包含在内，进而引起较大的振动校正误差。
 
集成了信号处理电路的加速度计中的模拟和数字滤波器虽然可以抑制输出端的带外振动峰值和谐波，但对振动校正误差并没什么作用。为了避免振动校正误差过大，需要为加速度计选择合适的带宽以抑制高频振动。封装一定程度上也会影响振动校正误差，封装上保证适当的刚度也是有好处的。
 
小结
 
封装保证适当的刚度是对整个传感器系统都是有好处的，另外对于高温和动态环境来说，引线框架和引脚适应高温焊接工艺的能力也会使其在高冲击和振动环境中更牢固可靠。在倾斜检测上，尤其是动态的倾斜检测上，MEMS加速度计选择需要考虑的细节需要面面俱到，任何细节参数的忽略都可能在测量上造成系统级误差。