加速度计在整个温度和存在振动的情况下进行倾斜测量

Chris Murphy

我的消费级加速度计理论上可以测量<1°的倾斜度。在温度和振动存在的情况下，这仍然可能吗？

答：

答案很可能是否定的。围绕确定的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，消费级加速度计很难在动态环境中检测到小于1°的倾斜度。为了证明这一点，将通用消费级加速度计与下一代低噪声、低漂移和低功耗MEMS加速度计进行了比较。该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。

零g偏置精度、焊接引起的零g偏置偏移、PCB外壳对准引起的零g偏置偏移、零g偏置温度系数、灵敏度精度和温度系数、非线性和跨轴灵敏度等误差是可以观察到的，可以通过组装后校准过程来减少。其他误差术语，如迟滞、寿命范围内的零g偏置偏移、寿命范围内的灵敏度偏移、湿度引起的零g偏移以及温度随时间变化引起的PCB弯曲和扭曲，无法在校准中解决，否则它们需要一定程度的现场服务才能减少。对于此比较，假设跨轴灵敏度、非线性和灵敏度得到补偿，因为与温度系数偏移漂移和振动校正相比，它们需要更少的努力来最小化。

表1显示了消费级ADXL345加速度计理想性能规格和相应倾斜误差的估计值。当试图达到最佳的倾斜精度时，必须应用某种形式的温度稳定或补偿。在本例中，假设恒温为 25°C。无法完全补偿的最大误差因素是温度失调、偏置漂移和噪声。可以降低带宽以降低噪声，因为倾斜应用通常需要低于1 kHz的带宽。

 

传感器参数	堪称典范的性能	状况/注意事项	典型值 g	应用误差倾斜°
噪声	X/Y 轴 290 μ克/√（赫兹）	6.25 Hz 时的带宽	0.9 米克	0.05
偏置漂移	艾伦偏差	短期 （例如， 10 天）	1 米克	0.057
初始偏移量	35 米克	无补偿	35 米克	2°
		有偿	0 米克	0°
错误	无补偿	6.25 Hz 带宽	36.9 米克	2.1
错误	有偿	6.25 Hz 带宽	1.9 米克	0.1

 

表2显示了ADXL355的相同标准。短期偏置值是根据ADXL355数据手册中的根艾伦方差图估算的。在25°C时，通用ADXL0的补偿精度为1.345°，工业级ADXL355的倾斜精度为0.005°。比较ADXL345和ADXL355可以看出，噪声等较大的误差贡献因素从0.05°显著降低到0.0045°，偏置漂移从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、失调和偏置漂移方面的性能有了巨大的飞跃，在动态条件下实现了更高水平的倾斜精度。

 

传感器参数	堪称典范的性能	状况/注意事项	典型值 g	应用误差倾斜°
噪声	25 μ克/√（赫兹）	6.25 Hz 时的带宽	78 μ克	0.0045
偏置漂移	艾伦偏差	X/Y 轴 短期 （例如， 10 天）	<10 μ克	0.00057
初始偏移量	25 米克	无补偿	25 米克	1.43
		有偿	0 米克	0°
总误差	无补偿	6.25 Hz 带宽	25 米克	1.43
总误差	有偿	6.25 Hz 带宽	88 μ克	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，特别是当您的应用需要<1°倾斜精度时。 应用精度可能因应用条件（较大的温度波动、振动）和传感器选择（消费级与工业级或战术级）而异。在这种情况下，ADXL345需要大量的补偿和校准工作才能实现<1°的倾斜精度，从而增加整个系统的工作量和成本。根据最终环境和温度范围的振动幅度，这甚至可能无法实现。在25°C至85°C的温度范围内，温度系数偏移漂移为1.375°，已经超过了倾斜精度低于1°的要求。

对于ADXL355，25°C至85°C的温度系数失调漂移为

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时，VRE在倾斜测量中会产生显着误差，而温度和噪声贡献的偏移为0 g。这是它被排除在数据手册之外的关键原因之一，因为它很容易使其他关键规格黯然失色。

 

	最大倾斜误差 0 g 偏移量与温度的关系（°/°C）	噪声密度（°/√（赫兹）	振动校正（°/g2均方根）
ADXL354	0.0085	0.0011	0.0231
ADXL355	0.0085	0.0014	0.0231

 

在振动幅度较大的环境中，必须使用更高g范围的加速度计，以最大程度地减少导致偏移的削波。表4显示了ADXL35x系列加速度计及其相应的g范围和带宽。

 

部分	测量范围（g)	带宽（千赫）
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

 

从ADXL35x系列中选择一款器件用于倾斜应用，将提供高稳定性和可重复性，对温度波动和宽带振动具有鲁棒性，并且与低成本加速度计相比，需要的补偿和校准更少。 密封封装有助于确保最终产品在出厂后很长时间内符合其可重复性和稳定性规格。ADI公司的下一代加速度计可在所有条件下提供可重复的倾斜测量，无需在恶劣环境中进行大量校准，即可将倾斜误差降至最低，并最大限度地减少部署后校准的需求。

审核编辑：郭婷