問題:我的消費性加速度計理論上可以測量小於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。關於明確傾斜精度值的問題總是很難以回答,因為在MEMS感測器性能方面,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於1°的傾斜。

為了說明這一點,我們將通用消費性加速度計與新一代低雜訊、低漂移和低功耗MEMS加速度計進行比較。這一個比較主要著眼於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。

我們可以觀察到0g偏置精度、焊接引起的0g偏置漂移、PCB外殼對準引起的0g偏置漂移、0g偏置溫度係數、靈敏準確度和溫度係數、非線性度以及橫軸靈敏度等誤差,並且可以透過裝配後校準流程減少這些誤差。滯後、使用壽命期間的0g偏置漂移、使用壽命期間的靈敏度漂移、潮濕引起的0g漂移,以及溫度隨時間變化引起的PCB彎曲和扭轉等等,這些誤差項無法透過校準或其他方法解決,需要透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,因為相較溫度係數偏置漂移和振動校正,儘量減少這些誤差所需的工作量要少得多。

表1列出了消費性加速度計(以ADXL345為例)理想性能規格及相應傾斜誤差的估算值。當試圖達到最佳傾斜精度時,必須採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偏差、偏置漂移和雜訊。透過降低頻寬來降低雜訊是可行的,因為傾斜應用通常需要低於1kHz的頻寬。

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表1:ADXL345誤差源估算值

表2列出的是適用於工業級加速度計(ADXL355)的同一標準。短期偏置值則是根據ADXL355產品手冊中的Allan方差圖所估算的。當25℃時,通用ADXL345的補償傾斜精度為0.1°,工業級ADXL355的補償傾斜精度為0.005°。透過比較ADXL345和ADXL355可以看出,主要的誤差促成因素引起的誤差已顯著降低,比如雜訊引起的誤差從0.05°降低到0.0045°,偏置漂移引起的誤差從0.057°降低到0.00057°。這說明了MEMS電容式加速度計在雜訊、溫度係數、失調以及偏置漂移等性能方面的巨大飛躍,在動態條件下能夠提供更高水準的傾斜精度。

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表2:ADXL355誤差源估算值

選擇更高等級的加速度計對於實現所需性能至關重要,特別是應用需要小於1°的傾斜精度時。應用精度取決於應用條件(溫度大幅波動、振動)和感測器選擇(消費性與工業級或策略級)。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於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範圍內的振動大小,根本不可能實現上述精度。25℃至85℃範圍內的溫度係數失調漂移為1.375°,已經超過傾斜精度小於1°的要求。

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25℃到85℃範圍內ADXL355的溫度係數失調漂移為:

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如表3所示,振動校正誤差(VRE)是加速度計暴露於寬頻振動時引入的失調誤差。當加速度計暴露於振動環境時,相較溫度漂移和雜訊導致的0g失調,VRE在傾斜測量中會導致明顯誤差。這是不再使用產品手冊的主要原因之一,因為很容易掩蓋了其他的主要規格。

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表3:以傾斜度表示的誤差(*2.5g rms振動導致的1g方位失調的範圍為±2g)

在具有較高振幅的環境中,必須使用較高g範圍的加速度計才能最大限度地減少削波導致的偏差。

選擇適用於傾斜應用的ADXL35x系列加速度計將確保高穩定性和可重複性,可以耐受溫度波動和寬頻振動,並且相較於較低成本的加速度計,其所需的補償和校準更少。該系列產品採用密封封裝,可以確保最終產品出廠後重複性與穩定性始終符合規格參數。