傾斜測量的加速度計(jì)與振動(dòng)矯正誤差

加速度計(jì)是一類能夠測量加速度、振動(dòng)、沖擊、傾斜的傳感器。從加速度、振動(dòng)、沖擊、傾斜這幾個(gè)檢測方向上看，加速度計(jì)在物聯(lián)網(wǎng)消費(fèi)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(jì)，尤其是MEMS加速度計(jì)突出的能力。這僅是其中一個(gè)方向，根據(jù)不同應(yīng)用需求，每個(gè)場景對加速度計(jì)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(fèi)電子場景來說，加速度計(jì)主要對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、靜止?fàn)顟B(tài)的目標(biāo)完成加速度測量，這種應(yīng)用對于加速度計(jì)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(fèi)電子共通的一點(diǎn)。

汽車應(yīng)用主要需要應(yīng)用加速度計(jì)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。

（加速度計(jì)，NXP）

工業(yè)上的細(xì)分應(yīng)用方向有很多，狀態(tài)監(jiān)測是很重要的一個(gè)應(yīng)用方向，常見的傾斜檢測、沖擊檢測也都會(huì)有涉及。工業(yè)應(yīng)用上的加速度計(jì)對帶寬的要求較為浮動(dòng)，有些只需要5Hz左右的帶寬，有些應(yīng)用會(huì)需要超過500Hz的帶寬。工業(yè)級別的加速度計(jì)g值范圍因?yàn)椴簧婕芭鲎菜源蠖嘣?5g這個(gè)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(huì)對帶寬要求更高，這里不做討論。

除了這兩個(gè)重要的指標(biāo)，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(biāo)。

傾斜檢測的加速度計(jì)如何選擇？

利用MEMS加速度計(jì)實(shí)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(jì)。在有振動(dòng)的動(dòng)態(tài)工況下實(shí)現(xiàn)此精度更難，振動(dòng)會(huì)破壞掉傾斜數(shù)據(jù)，引起嚴(yán)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(shí)現(xiàn)的。

要實(shí)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(dòng)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dòng)態(tài)應(yīng)用下的加速度計(jì)開始往高集成度發(fā)展并且向可編程發(fā)展。往往會(huì)集成全面的工廠校準(zhǔn)、嵌入式補(bǔ)償和信號(hào)處理來解決本該應(yīng)用原位維修的誤差。集成信號(hào)處理和特定器件的校準(zhǔn)給精度帶來了很大的提升，全面的工廠校準(zhǔn)代替系統(tǒng)級校準(zhǔn)為整個(gè)傳感器信號(hào)鏈提供了額溫內(nèi)的高靈敏度和偏置特性。

（3軸低噪聲MEMS加速度計(jì)，ADI）

更低噪聲密度的同樣是加速度計(jì)器件追求的，目前高性能的數(shù)字MEMS加速度計(jì)往往有著小于25μg/Hz的噪聲密度，這會(huì)大大提升器件檢測微弱振動(dòng)信號(hào)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(dāng)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(dòng)態(tài)條件下的傾斜精度的會(huì)大大提升。

振動(dòng)校正誤差

上面我們說到了振動(dòng)校正，振動(dòng)與傳感器以及系統(tǒng)誤差源相結(jié)合可能導(dǎo)致振動(dòng)校正，這是高性能加速度計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。在絕大多數(shù)場景中，加速度計(jì)都會(huì)不可避免地經(jīng)受不同幅度的振動(dòng)。振動(dòng)校正誤差（VRE）是加速度計(jì)對交流振動(dòng)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(dòng)校正誤差的抑制能力如果在消費(fèi)級應(yīng)用中，通常不需要過多考慮，多數(shù)消費(fèi)級器件不會(huì)提供諸如振動(dòng)校正、角度隨機(jī)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(gè)參數(shù)通常廠商不會(huì)在數(shù)據(jù)手冊上直白地寫出來。振動(dòng)校正誤差與頻率直接相關(guān)，較大測量帶寬會(huì)將高頻帶振動(dòng)包含在內(nèi)，進(jìn)而引起較大的振動(dòng)校正誤差。

集成了信號(hào)處理電路的加速度計(jì)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(dòng)峰值和諧波，但對振動(dòng)校正誤差并沒什么作用。為了避免振動(dòng)校正誤差過大，需要為加速度計(jì)選擇合適的帶寬以抑制高頻振動(dòng)。封裝一定程度上也會(huì)影響振動(dòng)校正誤差，封裝上保證適當(dāng)?shù)膭偠纫彩怯泻锰幍摹?br />
小結(jié)

封裝保證適當(dāng)?shù)膭偠仁菍φ麄€(gè)傳感器系統(tǒng)都是有好處的，另外對于高溫和動(dòng)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(huì)使其在高沖擊和振動(dòng)環(huán)境中更牢固可靠。在傾斜檢測上，尤其是動(dòng)態(tài)的傾斜檢測上，MEMS加速度計(jì)選擇需要考慮的細(xì)節(jié)需要面面俱到，任何細(xì)節(jié)參數(shù)的忽略都可能在測量上造成系統(tǒng)級誤差。