加速度計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?

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。

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?？梢越档蛶拋斫档驮肼?，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

表2 ADXL355誤差源估算值

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

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

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。