MEMS傳感器零偏參數講解

01說在前面的話

最近，經過一段時間不懈努力，實現了對 QMI8658 姿態(tài)傳感器的零偏(即常值誤差)進行標定。過去我曾整理過姿態(tài)傳感器誤差參數相關的文章，包括《MEMS 慣性傳感器 02 - 參數指標&誤差介紹》和《MEMS_慣性傳感器12 - 再說參數指標&含義》?；叵肫饋?，盡管這兩篇文章也很詳細，但有時還是會讓我感到困惑。在我的理解中，零偏誤差相對較易被補償。利用在靜止狀態(tài)下，利用加速度計的理論輸出為 [0,0,1] 和陀螺儀的理論輸出為 [0,0,0]，即可消除零偏影響。但是，零偏重復性誤差仍需要被扣除。這是因為隨機漂移中包含很多噪聲源，通常是白噪聲。雖然這種噪聲不能完全扣除，但我們可以通過使用更高精度的傳感器或多顆傳感器陣列來優(yōu)化誤差。

02傳感器零偏參數

對于MEMS傳感器，每一顆芯片都是獨一無二的，所以芯片與芯片之間存在偏差。為了評價傳感器的這種波動，常用方法是采用標準差(1 sigma)進行評價。 傳感器在上電后就會出現漂移，又分為常值漂移和隨機漂移兩種。 常值漂移就叫零偏，通過多次測量的均值就可以獲取到傳感器的零偏。在后續(xù)系統(tǒng)使用時對其進行補償。因為利用均值進行補償的，所以在補償后的常值漂移在傳感器的輸出中還會有一部分殘余。因此，引出零偏重復性指標。 零偏重復性，它表征傳感器每次零偏的接近重復程度，零偏重復性好的傳感器經過補償后，殘余的常值漂移比較小，可以達到更高的精度。

零偏穩(wěn)定性，反映的是傳感器的隨機漂移指標，又稱隨機噪聲，一般認為是白噪聲。 通常零偏穩(wěn)定性是指，采集一段時間的數據，計算這一段數據的均方差，計算方差時上面提到的常值漂移被扣除。 因為不同廠家對零偏指標給出的參數不一樣，不一樣的主要原因是對白噪聲的采用時間不一致。比如有 A、B兩個傳感器，如果 A 的 100s均方差與 B 的1s均方差相同，那B的性能一定好于A。 為了找到標準統(tǒng)一的評價結果，采用噪聲譜密度(即噪聲強度)這個指標。單位 (信號單位)/sqrt(Hz) [1]

ARW(角度隨機游走)和RND(噪聲強度)換算 [3]

通常采用Allan方差法分析隨機漂移的模型，其中包含隨機游走、零偏不穩(wěn)定性和角速率隨機游走三個主要成分，可能還含有量化噪聲和速率斜坡等噪聲。

計算出隨機游走系數，單位是 dfrac{°}{sqrt{h}}，這個單位與噪聲強度的換算關系是：1度每根號小時=60度每小時每根號赫茲。[2]

因此，零偏穩(wěn)定性包括了隨機游走的影響。隨機游走系數大的傳感器通常零偏穩(wěn)定性不會很好;但反之，如果一個傳感器的零偏穩(wěn)定性(隨機漂移)較差，隨機游走系數卻不一定大，因為造成零偏穩(wěn)定性差的原因可能來自其它噪聲源。

假設一個傳感器的隨機噪聲部分完全是白噪聲，那么它的零偏穩(wěn)定性數值上正好是隨機游走系數的 60 倍，如果算零偏穩(wěn)定性的時候用的是100秒平滑的結果，那么上述比例關系就是 6 倍，而實際上由于傳感器的噪聲成分中不僅僅含有白噪聲，因此這種 60倍或 6倍的比例關系在實際情況中很難遇到，通常如果計算零偏穩(wěn)定性的時候計算的是100秒標準差，那么得到的結果通常數值上是隨機游走系數的8至10倍左右。

總而言之，在評價傳感器的零偏穩(wěn)定性時，需要保證此時傳感器的輸出只有零位和噪聲，如果能將噪聲補償掉，就更好了，剩下的信號求均方差，才是隨機游走占主導的零偏穩(wěn)定性。

03利用 QMI8658 姿態(tài)傳感器標定前后數據對比

標定條件：

1) 下面的數據是將 QMI8658 姿態(tài)傳感 Z 軸向上，靜止放置在水平桌面上

2) 采集1分鐘的數據

3) 加速度計的量程為 ±8g; ODR 500Hz

4) 陀螺儀的量程為 ±2048dps; ODR 500Hz

加速度計標定前后數據對比：

點擊放大圖片可以看出來,標定前的原始數據， X軸數據在 0.4 m/S^2 以上，Y軸數據在 0.25 m/S^2，經過標定算法后，X軸/Y軸均趨近于 0 m/S^2。同樣，Z軸的數據由原來的10 m//S^2,標定到9.8 m//S^2.

陀螺儀標定前后數據對比：

點擊放大圖片可以看出來,陀螺各軸數據均標定到趨近于 0。

審核編輯：湯梓紅