溫度變化及振動條件下使用加速度計測量傾斜
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問題：
我的消費級加速度計理論上可以測量小于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？
答案：
答案很可能是否定的。關于明確傾斜精度值的問題總是很難回答，因為在MEMS傳感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于1°的傾斜。為了表明這一點，我們將通用消費級加速度計與新一代低噪聲、低漂移和低功耗MEMS加速度計進行比較。這一比較著眼于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。
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偏置溫度系數、靈敏準確度和溫度系數、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漂移以及溫度隨時間變化引起的PCB彎曲和扭轉等等，這些誤差項無法通過校準或其他方法解決，需要通過一定程度的原位維修才能減少。在這一比較中，假設橫軸靈敏度、非線性度和靈敏度得到補償，因為相比溫度系數失調漂移和振動校正，盡量減少這些誤差所需的工作量要少得多。
表1列出了消費級ADXL345加速度計理想性能規格及相應傾斜誤差的估算值。試圖達到最佳傾斜精度時，必須采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、偏置漂移和噪聲。可以降低帶寬來降低噪聲，因為傾斜應用通常需要低于1 kHz的帶寬。
表1 ADXL345誤差源估算值
傳感器參數 | 典型性能 | 條件/注釋 | 典型g值 | 應用 誤差（傾斜度） |
噪聲 | X/Y軸290 μg/√Hz | 6.25 Hz時的帶寬 | 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 | 35 mg | 無補償 | 35 mg | 2° |
有補償 | 0 mg | 0° | ||
誤差 | 無補償 | 6.25 Hz帶寬 | 36.9 mg | 2.1° |
誤差 | 有補償 | 6.25 Hz帶寬 | 1.9 mg | 0.1° |
表2列出了適用于ADXL355的同一標準。短期偏置值根據ADXL355數據手冊中的Allan方差圖估算。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°。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電容式加速度計在噪聲、溫度系數、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平的傾斜精度。
表2 ADXL355誤差源估算值
傳感器參數 | 典型性能 | 條件/注釋 | 典型g值 | 應用 誤差（傾斜度） |
噪聲 | 25 μg/√Hz | 6.25 Hz時的帶寬 | 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 | 25 mg | 無補償 | 25 mg | 1.43° |
有補償 | 0 mg | 0° | ||
總誤差 | 無補償 | 6.25 Hz帶寬 | 25 mg | 1.43° |
總誤差 | 有補償 | 6.25 Hz帶寬 | 88 mg | 0.005° |
選擇更高等級的加速度計對于實現所需性能至關重要，特別是應用需要小于1°的傾斜精度時。應用精度取決于應用條件（溫度大幅波動，振動）和傳感器選擇（消費級與工業級或戰術級）。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于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范圍內的振動大小，根本不可能實現上述精度。25℃至85℃范圍內的溫度系數失調漂移為1.375°，已經超過傾斜精度小于1°的要求。
25℃到85℃范圍內ADXL355的溫度系數失調漂移為：
如表3所示，振動校正誤差(VRE)是加速度計暴露于寬帶振動時引入的失調誤差。當加速度計暴露于振動環境時，相比溫漂和噪聲導致的0 g失調，VRE在傾斜測量中會導致明顯誤差。這是不再使用數據手冊的主要原因之一，因為很容易掩蓋其他主要規格。
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(°/℃) | 噪聲密度(°/√HZ) | 振動校正(°/g2rms) | |
ADXL354 | 0.0085 | 0.0011 | 0.0231 |
ADXL355 | 0.0085 | 0.0014 | 0.0231 |
12.5 g rms振動導致的1 g方位失調的范圍為±2 g
在具有較高振幅的環境中，必須使用較高g范圍的加速度計才能最大限度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范圍和帶寬。
表4 ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357的測量范圍
產品 | 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 |
選擇適用于傾斜應用的ADXL35x系列加速度計將確保高穩定性和可重復性，可以耐受溫度波動和寬帶振動，并且相比較低成本的加速度計，所需的補償和校準更少。該系列產品采用密封封裝，可以確保最終產品出廠后重復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復的傾斜測量，它們在惡劣環境中無需進行大量校準即可實現最小傾斜誤差。
Chris Murphy
Chris Murphy是歐洲中央應用中心的應用工程師，工作地點在愛爾蘭都柏林。他于2012年加入ADI公司，為電機控制和工業自動化產品提供設計支持。他擁有電氣工程研究碩士學位和計算機工程學士學位。
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