并行傳感器如何提高傾斜測(cè)量的精度和可重復(fù)性

提高使用ADIS16209 傾角計(jì)進(jìn)行傾斜測(cè)量的精度和可重復(fù) 性。我能否并行使用幾個(gè)傳感器來(lái)提升精度？

答案：是的，理論上可以，這種技術(shù)通過(guò)使用多個(gè)傳感器產(chǎn)生的平均效應(yīng)，幫助提高傾角計(jì)測(cè)量的精度性能。它具有潛在益處的原因是它能夠?qū)Χ鄠€(gè)傳感器的無(wú)關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤來(lái)源和隨機(jī)噪聲進(jìn)行平均計(jì)算。這樣可以降低整合傳感器數(shù)據(jù)的總噪底，使得聚合信號(hào)的功率相對(duì)于噪聲更大。MEMS設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)致力于設(shè)計(jì)世界一流的傳感器，系統(tǒng)工程師將繼續(xù)尋求進(jìn)一步提升性能的可能性。但是，讀者應(yīng)該清楚認(rèn)識(shí)到，我們上面所說(shuō)的并非絕對(duì)情況，必須考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的某些方面。

使用微控制器內(nèi)部的后端數(shù)字處理，可對(duì)兩個(gè)傾角計(jì)傳感器的輸出求和，并且計(jì)算平均值。傾角計(jì)主要的重點(diǎn)規(guī)范是相對(duì)于水平面的傳感器傾斜測(cè)量的相對(duì)精度。通過(guò)組合兩個(gè)信號(hào)輸出，噪聲密度得以減小，類(lèi)似于2倍過(guò)采樣條件。同樣，組合四個(gè)傾角計(jì)的信號(hào)輸出，并對(duì)其進(jìn)行平均值計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)4倍改進(jìn)。理想情況下，使用四個(gè)并行傾角計(jì)，0.1°的精度在理論上能夠減小至0.025°。

傾角計(jì)之間的細(xì)微內(nèi)部非線性失配將表現(xiàn)出獨(dú)特的傳遞曲線。有些非線性由于架構(gòu)原因非常相似，但另一些非線性會(huì)因器件間的差異而有所不同。這些特點(diǎn)表現(xiàn)為總噪聲源以及一般隨機(jī)傳感器噪聲。我們可將所有這些噪聲統(tǒng)稱(chēng)為噪聲。一般來(lái)說(shuō)，多種噪聲相互之間通常沒(méi)有關(guān)聯(lián)。使用多傳感器系統(tǒng)方法的主要益處是通過(guò)求平均值方法來(lái)消除這種隨機(jī)白噪聲。相反，如果對(duì)在相位和頻率上相關(guān)的干擾信號(hào)進(jìn)行求和，它們的幅度將會(huì)累加，對(duì)并行傳感器方法沒(méi)有益處。

對(duì)兩個(gè)無(wú)關(guān)聯(lián)的信號(hào)（例如白噪聲）進(jìn)行求和時(shí)，它們以“和的平方根”（RSS）形式進(jìn)行數(shù)學(xué)上的組合。對(duì)于兩個(gè)相等的幅度，這會(huì)導(dǎo)致幅度增加，增加的系數(shù)為

如果Vnoise_rms = 一個(gè)傳感器輸入上的噪聲，則兩個(gè)通道上的平均噪聲應(yīng)為：

將相同關(guān)聯(lián)信號(hào)的兩個(gè)相同實(shí)例相加并計(jì)算平均值，功率幾乎保持不變（相同信號(hào)2倍相加并除以2），而且隨機(jī)噪聲將減小信號(hào)功率的一半。理想情況下，整體平均信噪比（SNR）中的信號(hào)功率將會(huì)增加3 dB。任何互斥的非線性或僅有某一個(gè)并行傳感器產(chǎn)生的噪聲（另一個(gè)傳感器未產(chǎn)生此噪聲），都會(huì)使這種優(yōu)勢(shì)受到一些損害。

但是，并行傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的某些細(xì)節(jié)，可能妨礙2倍或4倍減小精度的優(yōu)勢(shì)充分實(shí)現(xiàn)。第一，傾角計(jì)必須在設(shè)備的對(duì)比軸上受到相同信號(hào)的同等影響。印刷電路板上的空間差異可能導(dǎo)致每個(gè)傾角計(jì)產(chǎn)生不同的觀測(cè)結(jié)果。由于系統(tǒng)級(jí)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(dú)有的失調(diào)。第二，傳感器之間的并行軸對(duì)齊應(yīng)該是匹配的。一個(gè)電路板組裝上的標(biāo)準(zhǔn)差異將產(chǎn)生放置容差和THETA容差，需要給予考慮。最后，器件之間的軸對(duì)齊誤差和非線性失配也會(huì)影響最佳的設(shè)計(jì)和組裝。此標(biāo)準(zhǔn)可以確定x軸和y軸是否做到了呈90°垂直。傳感器的數(shù)據(jù)表概括了這些規(guī)范。

圖1. 對(duì)于ADIS16209等兩軸傾角計(jì)，x軸和y軸對(duì)齊的相對(duì)放置角精度將影響多傳感器并行均值系統(tǒng)充分實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于三軸加速度計(jì)系統(tǒng)，并行設(shè)備在x/y平面上的平坦度或傾斜度將影響多個(gè)傳感器之間的z軸對(duì)齊。

當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，任何已知組裝差異應(yīng)該經(jīng)過(guò)水平校準(zhǔn)，以便充分實(shí)現(xiàn)并行傳感器測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。例如，各個(gè)傾角計(jì)的測(cè)量失調(diào)偏置誤差可以調(diào)零，以引用已知位置。