傾斜檢測的加速度計如何選擇

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/李寧遠)加速度計是一類能夠測量加速度、振動、沖擊、傾斜的傳感器。從加速度、振動、沖擊、傾斜這幾個檢測方向上看，加速度計在物聯(lián)網(wǎng)消費電子、汽車、工業(yè)控制等領(lǐng)域無疑是很多用武之地的。在之前工業(yè)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用中，我們已經(jīng)看到了加速度計，尤其是MEMS加速度計突出的能力。這僅是其中一個方向，根據(jù)不同應(yīng)用需求，每個場景對加速度計的要求都不盡相同。

不同應(yīng)用場景下的加速度需求

對于消費電子場景來說，加速度計主要對運動狀態(tài)、靜止狀態(tài)的目標完成加速度測量，這種應(yīng)用對于加速度計帶寬不作要求(一般不作要求，即0Hz)，其g值范圍在1g左右。這類應(yīng)用更看重加速度器件的功耗是否足夠低，這也是消費電子共通的一點。

汽車應(yīng)用主要需要應(yīng)用加速度計檢測碰撞和穩(wěn)定性，這種檢測需求對帶寬開始提出要求，一般應(yīng)用在碰撞和穩(wěn)定性檢測上的帶寬起碼需要在100Hz，碰撞的g值范圍在200g左右，穩(wěn)定性g值范圍在2g左右。

工業(yè)上的細分應(yīng)用方向有很多，狀態(tài)監(jiān)測是很重要的一個應(yīng)用方向，常見的傾斜檢測、沖擊檢測也都會有涉及。工業(yè)應(yīng)用上的加速度計對帶寬的要求較為浮動，有些只需要5Hz左右的帶寬，有些應(yīng)用會需要超過500Hz的帶寬。工業(yè)級別的加速度計g值范圍因為不涉及碰撞所以大多在25g這個范圍內(nèi)。至于等級更高的應(yīng)用，如飛行導(dǎo)航、導(dǎo)航武器等等會對帶寬要求更高，這里不做討論。

除了這兩個重要的指標，封裝、穩(wěn)定性、噪聲性能以及功耗亦是此類傳感器在每一類應(yīng)用中都較敏感的指標。

傾斜檢測的加速度計如何選擇?

利用MEMS加速度計實現(xiàn)0.1°精度的傾斜檢測不是一件容易的事，尤其是電容式加速度計。在有振動的動態(tài)工況下實現(xiàn)此精度更難，振動會破壞掉傾斜數(shù)據(jù)，引起嚴重的測量誤差。應(yīng)該說<1°的傾斜檢測對于器件來說并不是那么容易實現(xiàn)的。

要實現(xiàn)這一類精確檢測，偏置穩(wěn)定度、失調(diào)溫漂、低噪聲以及振動校正是極為關(guān)鍵的。這里面涉及到的誤差有些是可以直接觀測到的，有些則不能?？梢灾苯佑^測到的誤差可以通過校準流程來消除，是相對來說比較好解決的。難解決的是無法通過校準解決的誤差，只能通過一定程度的原位維修才能減少此類偏差。

為了解決這些難以觀測的誤差，動態(tài)應(yīng)用下的加速度計開始往高集成度發(fā)展并且向可編程發(fā)展。往往會集成全面的工廠校準、嵌入式補償和信號處理來解決本該應(yīng)用原位維修的誤差。集成信號處理和特定器件的校準給精度帶來了很大的提升，全面的工廠校準代替系統(tǒng)級校準為整個傳感器信號鏈提供了額溫內(nèi)的高靈敏度和偏置特性。

更低噪聲密度的同樣是加速度計器件追求的，目前高性能的數(shù)字MEMS加速度計往往有著小于25μg/Hz的噪聲密度，這會大大提升器件檢測微弱振動信號的能力。這種數(shù)字輸出特性也與高分辨率的ADC有密不可分的關(guān)系，當然也可以通過降低帶寬來降低噪聲。通過各類集成功能與噪聲、偏置漂移的優(yōu)化，器件在動態(tài)條件下的傾斜精度的會大大提升。

振動校正誤差

上面我們說到了振動校正，振動與傳感器以及系統(tǒng)誤差源相結(jié)合可能導(dǎo)致振動校正，這是高性能加速度計的一個重要指標。在絕大多數(shù)場景中，加速度計都會不可避免地經(jīng)受不同幅度的振動。振動校正誤差(VRE)是加速度計對交流振動的響應(yīng)，在上述的傾角檢測中極容易導(dǎo)致誤差一路向下傳遞。

器件對振動校正誤差的抑制能力如果在消費級應(yīng)用中，通常不需要過多考慮，多數(shù)消費級器件不會提供諸如振動校正、角度隨機游走之類的參數(shù)規(guī)格，而這些規(guī)格在工業(yè)應(yīng)用中恰恰可能是最大的誤差源，尤其在慣性導(dǎo)航等高要求應(yīng)用中，而且這個參數(shù)通常廠商不會在數(shù)據(jù)手冊上直白地寫出來。振動校正誤差與頻率直接相關(guān)，較大測量帶寬會將高頻帶振動包含在內(nèi)，進而引起較大的振動校正誤差。

集成了信號處理電路的加速度計中的模擬和數(shù)字濾波器雖然可以抑制輸出端的帶外振動峰值和諧波，但對振動校正誤差并沒什么作用。為了避免振動校正誤差過大，需要為加速度計選擇合適的帶寬以抑制高頻振動。封裝一定程度上也會影響振動校正誤差，封裝上保證適當?shù)膭偠纫彩怯泻锰幍摹?/p>

小結(jié)

封裝保證適當?shù)膭偠仁菍φ麄€傳感器系統(tǒng)都是有好處的，另外對于高溫和動態(tài)環(huán)境來說，引線框架和引腳適應(yīng)高溫焊接工藝的能力也會使其在高沖擊和振動環(huán)境中更牢固可靠。在傾斜檢測上，尤其是動態(tài)的傾斜檢測上，MEMS加速度計選擇需要考慮的細節(jié)需要面面俱到，任何細節(jié)參數(shù)的忽略都可能在測量上造成系統(tǒng)級誤差。

原文標題：傾斜測量的加速度計與振動矯正誤差

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審核編輯：湯梓紅