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ADI:为使用挑选最合适的MEMS加速度计——榜首部分

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 简介加速度计能够测量加速度、倾斜、振动或冲击,

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简介

加速度计能够丈量加速度、歪斜、振荡或冲击,因而适用于从可穿戴健身设备到工业渠道安稳体系的广泛运用。商场上有成百上千的加速度计器材可供挑选,其本钱和功用各不相同。本文榜首部分评论规划人员需求知道的要害参数和特性,以及它们与歪斜和安稳运用的联系,然后协助规划人员挑选最适宜的加速度计。第二部分将要点重视可穿戴设备、状况监控(CBM)和物联网运用。

最新MEMS电容式加速度计运用于传统上由压电加速度计和其他传感器主导的运用领域。新一代MEMS加速度计可为CBM、结构健康监控(SHM)、财物健康监控(AHM)、生命体征监测(VSM)和物联网无线传感器网络等运用供给处理方案。但是,在有如此多加速度计和如此多运用的情况下,挑选适宜的加速度计并非易事。

尚无行业规范界定加速度计归于何种类别。加速度计的一般分类及相应的运用如表1所示。所示的带宽和g值规模是加速度计用在所列终端运用中的典型值。

表1. 加速度计等级和典型运用领域
加速度计等级首要运用带宽g值规模
消费电子运动、静态加速度0 Hzg
轿车磕碰/安稳性100 Hz<200 g/2 g
工业渠道安稳/歪斜5 Hz 至 500 Hz25 g
战术兵器/飞行器导航<1 kHzg
导航潜艇/飞行器导航>300 Hz15 g

图1显现了各种MEMS加速度计的快照,并依据特定运用的首要功用指标和智能/集成水平将各传感器归类。本文的一个重要重视方针是依据增强型MEMS结构和信号处理的新一代加速度计以及国际一流的封装技能,其安稳性和噪声功用可与更贵重的专门器材相媲美,而功耗更低。这些特性及加速度计的其他要害规范将鄙人文依据运用相关性加以具体评论。

Figure 1
图1. ADI公司精选MEMS加速度计的运用地图

歪斜检测

首要规范:偏置安稳度、失调温漂、低噪声、可重复性、振荡校对、跨轴活络度。

对MEMS电容式加速度计而言,准确的歪斜检测是一种要求颇高的运用,尤其是在有振荡的情况下。在动态环境中运用MEMS电容式加速度计完成0.1°的歪斜精度十分困难——<1°很困难,>1°较易完成。为使加速度计有用丈量歪斜度,有必要对传感器功用和终端运用环境有很好的了解。比较于动态环境,静态环境对歪斜丈量愈加有利,因为振荡或冲击或许会损坏歪斜数据,引起严峻丈量差错。歪斜丈量的最重要特性有温度系数失调、迟滞、低噪声、短期/长时刻安稳性、可重复性和杰出的振荡校对。

0 g偏置精度、焊接引起的0 g偏置漂移、PCB外壳对准引起的0 g偏置漂移、0 g偏置温度系数、活络准确度和温度系数、非线性度以及跨轴活络度等差错,是能够观测到的,并且能够经过装置后校准流程加以下降。迟滞、运用寿数期间的0 g偏置漂移、运用寿数期间的活络度漂移、湿润引起的0 g漂移,以及温度随时刻改变引起的PCB曲折和改变等等,这些差错项无法经过校准或其他办法处理,需求经过必定程度的原位修理才干削减。

ADI公司的加速度计可分为MEMS (ADXLxxx)和iSensor® (ADIS16xxx)特别用处器材两类。iSensor或智能传感器是高集成度(4到10个自由度)且可编程器材,适用于动态环境下的杂乱运用。这些高集成度即插即用处理方案包含全面的工厂校准、嵌入式补偿和信号处理,处理了上述需求原位修理的许多差错,大大下降了规划和验证担负。这种全面的工厂校准为整个传感器信号链供给额外温度规模(一般是−40°C至+85°C)内的活络度和偏置特性。因而,每个iSensor器材都有其共同的补偿公式,装置后可发作准确的丈量成果。关于一些体系,工厂校准可革除体系级校准,大大简化操作。

iSensor器材专门针对某些运用而开发。例如,图2所示的 ADIS16210 专门针对歪斜运用而规划并定制,因而,它能供给<1°的相对精度且开箱即用。这首要归功于集成信号处理和特定器材校准,以便完成最佳精度功用。iSensor器材将在安稳性部分进一步评论。

Figure 2
图2. ADIS16210精细三轴歪斜

最新一代加速度计架构(例如 ADXL355)供给更多功用(歪斜、状况监控、结构健康、IMU/AHRS运用),包含的集成模块更少针对特定运用,但功用丰厚,如图3所示。

Figure 3
图3. 低噪声、低漂移、低功耗3轴MEMS加速度计ADXL355

下面比较通用加速度计ADXL345和新一代低噪声、低漂移、低功耗加速度计ADXL355,后者是广泛运用的抱负之选,例如物联网传感器节点和倾角计。这一比较着眼于歪斜运用中的差错源,以及能够补偿或消除的差错。表2列出了消费级ADXL345加速度计抱负功用规范及相应歪斜差错的预算值。企图到达最佳歪斜精度时,有必要选用某种方式的温度安稳或补偿。鄙人面的比方中,假定恒温为25°C。无法彻底补偿的最首要差错促进要素是温漂失调、偏置漂移和噪声。能够下降带宽来下降噪声,因为歪斜运用一般需求低于1 kHz的带宽。

表2. ADXL345差错源预算值
传感器参数功用条件/注释典型运用差错g歪斜°
噪声X/Y轴
290 μ‎g/√(Hz)
带宽为6.25 Hz0.9 mg0.05°
偏置漂移Allan差错X/Y轴短期
(例如:10天)
1 mg0.057°
初始失调35 mg无补偿35 mg
有补偿 0 mg
差错无补偿6.25 Hz带宽36.9 mg2.1°
差错有补偿6.25 Hz带宽1.9 mg0.1°

表3列出了适用于ADXL355的相同规范。短期偏置值依据ADXL355数据手册中的Allan方差图预算。25°C时,通用ADXL345补偿后的估量歪斜精度为0.1°。工业级ADXL355的估量歪斜精度为0.005°。经过比较ADXL345和ADXL355能够看出,严峻差错奉献要素引起的差错已显着下降,比方噪声引起的差错从0.05°下降到0.0045°,偏置漂移引起的差错从0.057°下降到0.00057°。这表明MEMS电容式加速度计在噪声和偏置漂移等功用方面取得了巨大腾跃,在动态条件下能够供给更高水平的歪斜精度。

表3. ADXL355差错源预算值
传感器参数功用条件/注释典型运用差错g歪斜°
噪声X/Y轴
290 μ‎g/√(Hz)
带宽为6.25 Hz78 μ‎g0.0045°
偏置漂移Allan 差错X/Y轴短期
(例如:10天)
<10 μ‎g0.00057°
初始失调25 mg无补偿25 mg1.43°
有补偿0 mg
总差错无补偿6.25 Hz带宽25 mg1.43°
总差错又补偿6.25 Hz带宽88 μ‎g0.005°

挑选更高等级的加速度计关于完成所需功用至关重要,特别是运用需求小于1°的歪斜精度时。运用精度取决于运用条件(温度大幅动摇,振荡)和传感器挑选(消费级与工业级或战术级)。在这种情况下,ADXL345将需求许多的补偿和校准作业才干完成小于1°的歪斜精度,添加整个体系的作业量和本钱。依据终究环境和温度规模内的振荡巨细,乃至不或许完成上述精度。25°C至85°C规模内的温度系数失调漂移为1.375°,现已超越歪斜精度小于1°的要求。

Equation 1

25°C到85°C规模内ADXL355的最大温度系数失调漂移为0.5°。

Equation 2

ADXL354和ADXL355可重复性(X和Y轴为±3.5 mg/0.2°,Z轴为±9 mg/0.5°)为10年寿数猜测值,包含高温作业寿数测验(HTOL)(TA =150°C、VSUPPLY = 3.6 V、1000小时)、温度循环(−55°C至+125°C且循环1000次)、速度随机游走、宽带噪声和温度迟滞引起的偏移。这些新式加速度计可在一切条件下供给可重复的歪斜丈量,在恶劣环境中无需进行许多校准即可完成最小歪斜差错,并且能最大程度削减布置后的校准需求。ADXL354和ADXL355加速度计能以0.15 mg/°C(最大值)的零失调系数保证温度安稳性。这种安稳性最大程度地削减了校准和测验相关的资源和本钱开支,协助设备OEM制造商完成更高的吞吐速率。此外,产品选用密封封装,能够保证终究产品出厂后重复性与安稳性一直契合其规范参数。

一般,数据手册上不会显现可重复性和对振荡校对差错(VRE)的按捺才能,因为这些参数或许露出产品功用较低。例如,ADXL345是一款针对消费类运用的通用加速度计,VRE不是规划人员的重要重视参数。但是,在惯性导航等高要求运用、歪斜运用或振荡频频的特定环境中,对VRE的按捺才能或许是规划人员的要点重视方针,因而ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357 数据手册会给出此类参数。

如表4所示,VRE是加速度计露出于宽带振荡时引进的失调差错。当加速度计露出于振荡环境时,比较温漂和噪声导致的0 g失调,VRE在歪斜丈量中会导致显着差错。这是不再运用数据手册的首要原因之一,因为很简略掩盖其他首要规范。

VRE是加速度计对沟通振荡(被整流为直流)的呼应。这些直流整流的振荡或许会使加速度计失调发作偏移,引起严峻差错,尤其是在方针信号为直流输出的歪斜运用中。直流失调的任何小改变都或许被解释为倾角改变,导致体系级差错。

表4. 以歪斜度表明的差错
器材最大歪斜差错0g失调与温度的联系(°/°C)噪声密度
(°/√(HZ))
振荡校对(°/g2rms)
ADXL3540.00850.00110.0231
ADXL3550.00850.00140.0231
1 2.5g rms振荡引起的1g方位失调的规模为±2g

各种谐振和加速度计(本例为ADXL355)中的滤波器均或许引起VRE,因为VRE对频率有很强的依赖性。这些谐振会扩大振荡,扩大倍数等于谐振的Q因数,而在较高频率时会按捺振荡,原因是谐振器存在二阶偶极子呼应。传感器的谐振品质因数越高,振荡起伏越大,其VRE也就越大。较大丈量带宽会将高频带内振荡包含在内,引起较高的VRE,如图4所示。为加速度计挑选适宜的带宽以按捺高频振荡,能够避免许多振荡相关问题。1

Figure 3
图4. 在不同带宽进行的ADXL355 VRE测验

静态歪斜丈量一般需求±1g到±2g的低g加速度计,带宽小于1.5 kHz。模仿输出ADXL354和数字输出ADXL355均为低噪声密度(分别为20 μg√Hz和25 μg√Hz)、低0g失调漂移、低功耗三轴加速度计,集成温度传感器,丈量规模可选,如表5所示。

表5. ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357丈量规模
器材丈量规模(g)带宽(kHz)
ADXL354B±2, ±41.5
ADXL354C±2, ±81.5
ADXL355B±2, ±4, ±81
ADXL356B±10, ±201.5
ADXL356C±10, ±401.5
ADXL357B±10.24, ±20.48, ±40.961

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357选用密封封装,有助于完成超卓的长时刻安稳性。功用进步与封装一般是正相关,如图5所示。封装常常被忽视,其实制造商能够运用封装来完成更好的安稳和漂移功用。这是ADI公司的一个要点重视方面,咱们供给类型广泛的传感器封装以习惯不同的运用领域。

高温文动态环境

在合适高温或恶劣环境的加速度计可用之前,一些规划人员曾不得不将规范温度IC用在远超出数据手册限值的景象中。这意味着终究用户须承当在高温下查验器材质量的职责和风险,本钱昂扬且颇费时刻。密封封装能够耐受高温已是广为人知的现实,它经过一道能抵挡湿气和污染的屏障来避免腐蚀。ADI公司供给各类密封器材,这些器材具有增强的温度安稳性和功用。ADI公司还大力研讨了塑料封装在高温下的功用,尤其是引线结构和引脚习惯高温焊接工艺的才能,使其在高冲击和振荡环境中结实牢靠。因而,ADI公司供给18款额外温度规模为−40°C至+125°C的加速度计,包含 ADXL206, ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357, ADXL1001/ADXL1002, ADIS16227/ADIS16228和ADIS16209。大部分竞争对手未供给能在−40°C至+125°C温度规模内或恶劣环境条件下(例如重工业机械和井下钻探)作业的MEMS电容式加速度计。

Figure 5
图5. 高档封装技能和校准带来功用进步的示例

在温度超越125°C的恶劣环境中进行歪斜丈量是极具挑战性的作业。ADXL206是一款高精度(歪斜精度<0.06°)、低功耗、完好的双轴MEMS加速度计,适用于高温文恶劣环境,例如井下钻探。该器材选用13 mm × 8 mm × 2 mm旁边面钎焊、陶瓷、双列直插式封装,支撑−40°C至+175°C的环境温度规模,超越175°C时功用会下降,但100%可恢复。

在有振荡的动态环境中(例如农用设备或无人机)进行歪斜丈量,需求g值规模较高的加速度计,比方ADXL356/ADXL357。有限g值规模的加速度计丈量或许会削波,导致输出失调添加。引起削波的原因或许是活络轴在1 g重力场中,或许是发作上升时刻快但衰减慢的冲击。较高的g值规模可削减加速度计削波,然后下降失调,在动态运用中供给更好的歪斜精度。

图6所示为ADXL356 Z轴的g值规模有限的丈量,此丈量规模中现已存在1g。图7所示为同一丈量,但g值规模从±10 g扩展到±40g。能够清楚看到,加速度计的g值规模扩展显着下降了削波引起的失调。

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357供给超卓的振荡校对、长时刻重复性和低噪声功用,并且尺度很小,十分合适静态和动态环境中的歪斜检测运用。

Figure 6
图6. ADXL356 VRE,Z轴相关于1 g的失调,±10 g规模,Z轴方向 = 1 g
Figure 7
图7. ADXL356 VRE,Z轴相关于1 g的失调,±40 g规模,Z轴方向 = 1 g

安稳

首要规范:噪声密度、速度随机游走、运动中偏置安稳度、偏置重复性和带宽。

检测并了解运动能够给许多运用带来优点。掌控一个体系发作的运动,然后运用该信息进步功用(缩短呼应时刻、进步精度、加速运转速度),增强安全性或牢靠性(体系在风险情况下关机),或许取得其他增值特性,是很有利的。因为运动的杂乱性,有许多安稳性运用需求归纳运用陀螺仪和加速度计(传感器交融,如图8所示),例如UAV监控设备和船上天线指向体系等。2

Figure 8
图8. 6自由度IMU

6自由度IMU运用多个传感器,以便补偿互相的缺点。看起来像是一个或两个轴上的简略惯性运动,实践或许需求加速度计和陀螺仪传感器交融,意图是消除振荡、重力和其他单凭加速度计或陀螺仪无法准确丈量的影响要素。加速度计数据包含重力重量和运动加速度。二者无法差异,但可运用陀螺仪将重力重量从加速度计输出中去除。为了依据加速度确认方位,需求进行积分,在此进程之后,加速度计数据的重力重量引起的差错或许会快速变大。因为累积差错,仅凭陀螺仪不足以确认方位。陀螺仪不检测重力,因而可用作加速度计的辅佐传感器。

在安稳性运用中,MEMS传感器有必要准确丈量渠道方位,特别是在运动时。图9是一个选用伺服电机校对角向运动的典型渠道安稳体系的框图。反应/伺服电机操控器将方向传感器数据转换为伺服电机的校对操控信号。

Figure 9
图9. 根本渠道安稳体系3

终究运用将决议所需的精度水平,而所选的传感器质量(消费级仍是工业级)将决议其能否完成。差异消费级器材和工业级器材很重要,有时候二者的差异很奇妙,或许需求细心考虑。表6显现了消费级加速度计和IMU中集成的中档工业级加速度计的首要差异。

表6. 工业MEMS器材对一切已知潜在差错源进行全面测定,精度水平比消费级器材高出一个数量级以上2
加速度计参数典型工业规范相关于典型消费级器材的改进
动态规模最高40 g
噪声密度25 μg/√Hz10×
速度随机游动0.03 m/s/√Hz10×
运动中偏置安稳度10 μg10×
偏置重复性25 mg100×
–3 dB 带宽  500 Hz 2×

在某些条件有利且可接受较低精度数据的情况下,运用低精度器材便可满意功用需求。但是,对能在动态环境中作业的传感器需求迅速增长,较低精度器材因为不能下降实践丈量中的振荡效应或温度效应而大受影响,很难到达小于3°至5°的指向精度。大都低端消费级器材未供给比如振荡校对、视点随机游走之类的参数规范,而这些规范在工业运用中恰恰或许是最大的差错源。

为了在动态环境中到达1°乃至0.1°的指向精度,规划人员的器材挑选有必要聚集于传感器按捺温漂差错和振荡影响的才能。传感器滤波和算法(传感器交融)虽然是进步功用的要害要素,但无法消除消费级与工业级传感器的距离。ADI公司新式工业IMU的功用接近于上一代导弹制导体系所用的产品。比如ADIS1646x和已宣告的ADIS1647x等器材以规范和迷你IMU外形尺度供给精细运动检测,打进曩昔的特别运用领域。

本文第二部分将持续讨论MEMS加速度计的重要作业特性,以及它们与可穿戴设备、状况监控、物联网、结构健康监控和财物健康监控等运用领域的联系。

参阅电路

1. Long Pham and Anthony DeSimone. “MEMS加速度计的振荡校对” ADI公司,2017年。

2. Bob Scannell. “高功用惯性传感器助力运动物联网” ADI公司,2017年。

3. Mark Looney. “剖析安稳体系中的惯性MEMS的频率呼应” 《模仿对话》,第46卷,2012年。

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