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消費級加速度計能否在動態(tài)環(huán)境中檢測小于1°的傾斜?


關(guān)鍵詞:誤差,補償,傾斜作者:佐威發(fā)布時間:2022-03-27瀏覽次數(shù):268

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(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,因為在MEMS傳感器性能方面需要考慮許多環(huán)境因素。通常,消費級加速度計難以在動態(tài)環(huán)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(yīng)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(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漂移以及溫度隨時間變化引起的PCB彎曲和扭轉(zhuǎn)等等,這些誤差項無法通過校準(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償,因為相比溫度系數(shù)失調(diào)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(guī)格及相應(yīng)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(wěn)定或補償。在下面的例子中,假設(shè)恒溫為25℃。無法完全補償?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,因為傾斜應(yīng)用通常需要低于1 kHz的帶寬。

表1ADXL345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

無補償

35 mg

有補償

0 mg

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(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,通用ADXL345的補償傾斜精度為0.1°,工業(yè)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(shù)、失調(diào)以及偏置漂移等性能方面的巨大飛躍,在動態(tài)條件下能夠提供更高水平的傾斜精度。

表2ADXL355誤差源估算值

傳感器參數(shù)

典型性能

條件/注釋

典型g值

Application

Error ? Tilt °

應(yīng)用

誤差(傾斜度)

Noise

噪聲

25 μg/√Hz

Bandwidth ? at 6.25 Hz

6.25 ? Hz時的帶寬

78 μg

0.0045°

Bias ? drift

偏置漂移

Allan ? deviation

Allan偏差

X/Y ? axis short-term (for example, 10 days)

X/Y軸短期(例如:10天)

<10 ? μg

0.00057°

初始失調(diào)

25 mg

無補償

25 mg

1.43°

有補償

0 mg

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(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。應(yīng)用精度取決于應(yīng)用條件(溫度大幅波動,振動)和傳感器選擇(消費級與工業(yè)級或戰(zhàn)術(shù)級)。在這種情況下,ADXL345將需要大量的補償和校準(zhǔn)工作才能實現(xiàn)小于1°的傾斜精度,增加整個系統(tǒng)的工作量和成本。根據(jù)最終環(huán)境和溫度范圍內(nèi)的振動大小,根本不可能實現(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。



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