并行傳感器如何提高傾斜測量的精度和可重復性

提高使用ADIS16209 傾角計進行傾斜測量的精度和可重復 性。我能否并行使用幾個傳感器來提升精度？

答案：是的，理論上可以，這種技術通過使用多個傳感器產生的平均效應，幫助提高傾角計測量的精度性能。它具有潛在益處的原因是它能夠對多個傳感器的無關聯錯誤來源和隨機噪聲進行平均計算。這樣可以降低整合傳感器數據的總噪底，使得聚合信號的功率相對于噪聲更大。MEMS設計團隊致力于設計世界一流的傳感器，系統工程師將繼續尋求進一步提升性能的可能性。但是，讀者應該清楚認識到，我們上面所說的并非絕對情況，必須考慮到系統設計的某些方面。

使用微控制器內部的后端數字處理，可對兩個傾角計傳感器的輸出求和，并且計算平均值。傾角計主要的重點規范是相對于水平面的傳感器傾斜測量的相對精度。通過組合兩個信號輸出，噪聲密度得以減小，類似于2倍過采樣條件。同樣，組合四個傾角計的信號輸出，并對其進行平均值計算，可以實現4倍改進。理想情況下，使用四個并行傾角計，0.1°的精度在理論上能夠減小至0.025°。

傾角計之間的細微內部非線性失配將表現出獨特的傳遞曲線。有些非線性由于架構原因非常相似，但另一些非線性會因器件間的差異而有所不同。這些特點表現為總噪聲源以及一般隨機傳感器噪聲。我們可將所有這些噪聲統稱為噪聲。一般來說，多種噪聲相互之間通常沒有關聯。使用多傳感器系統方法的主要益處是通過求平均值方法來消除這種隨機白噪聲。相反，如果對在相位和頻率上相關的干擾信號進行求和，它們的幅度將會累加，對并行傳感器方法沒有益處。

對兩個無關聯的信號（例如白噪聲）進行求和時，它們以“和的平方根”（RSS）形式進行數學上的組合。對于兩個相等的幅度，這會導致幅度增加，增加的系數為

如果Vnoise_rms = 一個傳感器輸入上的噪聲，則兩個通道上的平均噪聲應為：

將相同關聯信號的兩個相同實例相加并計算平均值，功率幾乎保持不變（相同信號2倍相加并除以2），而且隨機噪聲將減小信號功率的一半。理想情況下，整體平均信噪比（SNR）中的信號功率將會增加3 dB。任何互斥的非線性或僅有某一個并行傳感器產生的噪聲（另一個傳感器未產生此噪聲），都會使這種優勢受到一些損害。

但是，并行傳感器系統設計的某些細節，可能妨礙2倍或4倍減小精度的優勢充分實現。第一，傾角計必須在設備的對比軸上受到相同信號的同等影響。印刷電路板上的空間差異可能導致每個傾角計產生不同的觀測結果。由于系統級別的影響，例如印刷電路板厚度差異和焊錫量容差，可能存在獨有的失調。第二，傳感器之間的并行軸對齊應該是匹配的。一個電路板組裝上的標準差異將產生放置容差和THETA容差，需要給予考慮。最后，器件之間的軸對齊誤差和非線性失配也會影響最佳的設計和組裝。此標準可以確定x軸和y軸是否做到了呈90°垂直。傳感器的數據表概括了這些規范。

圖1. 對于ADIS16209等兩軸傾角計，x軸和y軸對齊的相對放置角精度將影響多傳感器并行均值系統充分實現優勢。對于三軸加速度計系統，并行設備在x/y平面上的平坦度或傾斜度將影響多個傳感器之間的z軸對齊。

當系統調試時，任何已知組裝差異應該經過水平校準，以便充分實現并行傳感器測量的優勢。例如，各個傾角計的測量失調偏置誤差可以調零，以引用已知位置。