温度变化及振动条件下使用加速度计测量倾斜

2021-01-25 17:37:04 ADI公司，Chris Murphy

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问题：
我的消费级加速度计理论上可以测量小于1°的倾斜。在温度变化及振动条件下是否仍然可以实现这样的测量精度？

答案：
答案很可能是否定的。关于明确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，消费级加速度计难以在动态环境中检测小于1°的倾斜。为了表明这一点，我们将通用消费级加速度计与新一代低噪声、低漂移和低功耗MEMS加速度计进行比较。这一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。

可以观察到0 g偏置精度、焊接引起的0 g偏置漂移、PCB外壳对准引起的0 g偏置漂移、0 g偏置温度系数、灵敏准确度和温度系数、非线性度以及横轴灵敏度等误差，并且可以通过装配后校准流程减少这些误差。滞后、使用寿命期间的0 g偏置漂移、使用寿命期间的灵敏度漂移、潮湿引起的0 g漂移以及温度随时间变化引起的PCB弯曲和扭转等等，这些误差项无法通过校准或其他方法解决，需要通过一定程度的原位维修才能减少。在这一比较中，假设横轴灵敏度、非线性度和灵敏度得到补偿，因为相比温度系数失调漂移和振动校正，尽量减少这些误差所需的工作量要少得多。

表1列出了消费级ADXL345加速度计理想性能规格及相应倾斜误差的估算值。试图达到最佳倾斜精度时，必须采用某种形式的温度稳定或补偿。在下面的例子中，假设恒温为25℃。无法完全补偿的最主要误差促成因素是温漂失调、偏置漂移和噪声。可以降低带宽来降低噪声，因为倾斜应用通常需要低于1 kHz的带宽。

表1ADXL345误差源估算值

表2列出了适用于ADXL355的同一标准。短期偏置值根据ADXL355数据手册中的Allan方差图估算。25℃时，通用ADXL345的补偿倾斜精度为0.1°，工业级ADXL355的补偿倾斜精度为0.005°。通过比较ADXL345和ADXL355可以看出，主要的误差促成因素引起的误差已显著降低，比如噪声引起的误差从0.05°降低到0.0045°，偏置漂移引起的误差从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、失调以及偏置漂移等性能方面的巨大飞跃，在动态条件下能够提供更高水平的倾斜精度。

表2ADXL355误差源估算值

选择更高等级的加速度计对于实现所需性能至关重要，特别是应用需要小于1°的倾斜精度时。应用精度取决于应用条件（温度大幅波动，振动）和传感器选择（消费级与工业级或战术级）。在这种情况下，ADXL345将需要大量的补偿和校准工作才能实现小于1°的倾斜精度，增加整个系统的工作量和成本。根据最终环境和温度范围内的振动大小，根本不可能实现上述精度。25℃至85℃范围内的温度系数失调漂移为1.375°，已经超过倾斜精度小于1°的要求。

25℃到85℃范围内ADXL355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环境时，相比温漂和噪声导致的0 g失调，VRE在倾斜测量中会导致明显误差。这是不再使用数据手册的主要原因之一，因为很容易掩盖其他主要规格。

表3以倾斜度表示的误差

在具有较高振幅的环境中，必须使用较高g范围的加速度计才能最大限度减少削波导致的失调。表4列出了ADXL35x系列加速度计及其相应的g范围和带宽。

表4ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357的测量范围

选择适用于倾斜应用的ADXL35x系列加速度计将确保高稳定性和可重复性，可以耐受温度波动和宽带振动，并且相比较低成本的加速度计，所需的补偿和校准更少。该系列产品采用密封封装，可以确保最终产品出厂后重复性与稳定性始终符合规格参数。ADI公司的新一代加速度计可在所有环境下提供可重复的倾斜测量，它们在恶劣环境中无需进行大量校准即可实现最小倾斜误差。

作者简介
Chris Murphy，是欧洲中央应用中心的应用工程师，工作地点在爱尔兰都柏林。他于2012年加入ADI公司，为电机控制和工业自动化产品提供设计支持。他拥有电气工程研究硕士学位和计算机工程学士学位。

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