低噪聲、低功耗加速度計的振動校正資料下載

高性能MEMS加速度計為各種集成慣性測量的應用提供低成本解決方案。具體例子包括：導航和AHRS系統，用于機器健康狀況檢測的振動監控，基礎設施的結構健康狀況監控，以及用于平臺穩定、井下定向鉆探的傾斜監控、施工行業平路機和勘測設備的調平、吊車穩定系統吊桿傾角測量的高精度傾角計。在大多數此類例子中，加速度計會經受不同幅度的振動。這些應用的另一個不同方面是振動的頻率成分。振動與傳感器和系統誤差源相結合可能導致振動校正，這是高性能加速度計的一個重要指標。本文說明MEMS加速度計中的振動校正是如何發生的，并討論各種測量此參數的技術。作為案例研究，本文會討論低噪聲、低功耗加速度計ADXL355的振動校正。低振動校正誤差以及所有其他特性，使這款器件成為上述精密應用的理想之選。 振動校正的來源 振動校正誤差(VRE)是加速度計對交流振動（被整流為直流）的響應，表現為加速度計失調的異常偏移。在傾角計等應用中，這是一個重大誤差源，因為加速度計的直流輸出是目標信號，失調的任何改變都可能被錯誤地解讀為傾角變化，導致誤差一路向下傳遞，從而引起安全系統誤觸發、平臺穩定或鉆桅對準機制過度補償等。 VRE高度依賴于加速度計所經受的振動特性曲線，不同應用施加于加速度計的振動模式會不同，因而VRE可能不同。振動校正有多種發生機制，本文討論其中的兩種。 非對稱軌 第一種機制是非對稱軌。重力產生一個靜態1 g (9.8 m/s2)加速度場，當加速度計敏感軸豎直對齊時，其測量范圍會有一個偏移。2 g滿量程范圍的傳感器與重力加速度對齊時，將只能測量1 g峰值振動，否則響應會被削波。超過1 g的對稱激勵信號的平均值將不為零，原因是在經受額外1 g加速度的方向上，電平會被削波。 圖1中，一個激勵振動信號施加于2 g滿量程傳感器上。當振動為0.3 g rms（300到600樣本之間）時，失調沒有可觀測的偏移。然而，當振動為1 g rms（600到1000樣本之間）時，VRE約為–100 mg。 圖1. ±2 g滿量程范圍的加速度計因為非對稱削波而產生的振動校正圖解 VRE可建模為一個截斷分布的平均偏移，受加速度計滿量程范圍的限制。當傳感器在1 g場中經受隨機振動時，輸入激勵信號可建模為一個平均值μ= 1 g且標準差σ= X的正態分布，其中X表示輸入振動幅度均方根值。傳感器輸出建模為雙截斷正態分布，輸出值下界和上界分別為–R和 R，其中R為傳感器的最大范圍。此雙截斷正態分布的平均值計算如下： 其中，為概率密度函數，為其累積分布函數。α 和β 被定義為，。這樣VRE即為： 比例因子非線性誤差 非線性誤差是指工作范圍內加速度計輸出與最佳擬合直線的偏差。此偏差常常用滿量程輸出范圍的百分比表示。加速度計的非線性誤差可能引起VRE，如下所示： 描述加速度計非線性的常見模型是n次多項式。輸出ao (LSB)可表示為輸入ai (g)的函數： 其中： K0：失調 (LSB) K1：比例因子 (LSB/g) Kn：非線性的n次項系數，n = 2,3, … (LSB/gn) 考慮一個簡單的正弦輸入加速度： 此輸入的時間平均值為零。加速度計的輸出可表示為： 時間平均輸出等于上式右側所有分量的時間平均值之和。奇數次項的平均值為零。帶入偶數次項的平均值 和 ，輸出的時間平均值即為： 其中Grms為輸入加速度的均方根值。上式說明，在一個正弦振動的情況下，二次非線性轉換為直流失調的偏移 (K2Grms2)。項 代表振動校正系數(VRC)，單位為μg/g2-rms。 振動校正的幅度和頻率相關性 振動幅度很小時，VRE以傳感器非線性為主，可用VRC來表示： VRE = VRC × vib2rms。然而，當振動幅度大于滿量程范圍時，VRE往往以上一部分所述的非對稱削波為主。另外，正如之前提到的，加速度計輸出的任何非零失調也會引起非對稱削波。大多數針對工業應用而設計的MEMS加速度計都會內置故障安全電路，在有很大振動時，它會關閉傳感器偏置電路，防止檢測元件受損。振動幅度很大時，此特性可能會在失調中進一步引起異常偏移，使VRE惡化。 由于各種諧振和器件中的濾波器，VRE常常具有很強的頻率相關性。由于諧振器的兩極響應，在傳感器的諧振頻率下，MEMS傳感器諧振會放大振動，放大比率等于諧振品質因數，而在頻率較高時則會抑制振動。諧振品質因數較高的傳感器，振動幅度越大，其VRE也越大。由于高頻帶內振動的積分效應，較大的測量帶寬也會引起較高的VRE。信號處理電路中實現的模擬和數字濾波器可抑制輸出端的帶外振動峰值和諧波，但對VRE沒有明顯作用，原因是振動輸入被偶數次非線性整流為直流信號。 測量振動校正 一旦將加速度計部署于現場，便無法實時補償VRE。在有些應用中，振動引起失調中出現較小直流偏移是可以容忍的，對此可以測量VRE以估計加速度計輸出中的誤差，從而確定VRE是否在允許限度內。在任何振動測量中，振動臺和試驗夾具必須平齊，并且必須使用精密振動臺以抑制振動臺跨軸振動、偏移和結構諧振引起的誤差。另外，試驗夾具必須具有適當的剛度，確保夾具諧振頻率離加速度計帶寬和振動曲線頻段很遠。最優夾具設計的最低諧振頻率應當比最高振動頻率高出大約50%。 正弦振動特性曲線