并行傳感器如何提高傾斜測量的精度和可重復(fù)性

提高使用ADIS16209 傾角計進行傾斜測量的精度和可重復(fù) 性。我能否并行使用幾個傳感器來提升精度？

答案：是的，理論上可以，這種技術(shù)通過使用多個傳感器產(chǎn)生的平均效應(yīng)，幫助提高傾角計測量的精度性能。它具有潛在益處的原因是它能夠?qū)Χ鄠€傳感器的無關(guān)聯(lián)錯誤來源和隨機噪聲進行平均計算。這樣可以降低整合傳感器數(shù)據(jù)的總噪底，使得聚合信號的功率相對于噪聲更大。MEMS設(shè)計團隊致力于設(shè)計世界一流的傳感器，系統(tǒng)工程師將繼續(xù)尋求進一步提升性能的可能性。但是，讀者應(yīng)該清楚認識到，我們上面所說的并非絕對情況，必須考慮到系統(tǒng)設(shè)計的某些方面。

使用微控制器內(nèi)部的后端數(shù)字處理，可對兩個傾角計傳感器的輸出求和，并且計算平均值。傾角計主要的重點規(guī)范是相對于水平面的傳感器傾斜測量的相對精度。通過組合兩個信號輸出，噪聲密度得以減小，類似于2倍過采樣條件。同樣，組合四個傾角計的信號輸出，并對其進行平均值計算，可以實現(xiàn)4倍改進。理想情況下，使用四個并行傾角計，0.1°的精度在理論上能夠減小至0.025°。

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

對兩個無關(guān)聯(lián)的信號（例如白噪聲）進行求和時，它們以“和的平方根”（RSS）形式進行數(shù)學(xué)上的組合。對于兩個相等的幅度，這會導(dǎo)致幅度增加，增加的系數(shù)為

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

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

但是，并行傳感器系統(tǒng)設(shè)計的某些細節(jié)，可能妨礙2倍或4倍減小精度的優(yōu)勢充分實現(xiàn)。第一，傾角計必須在設(shè)備的對比軸上受到相同信號的同等影響。印刷電路板上的空間差異可能導(dǎo)致每個傾角計產(chǎn)生不同的觀測結(jié)果。由于系統(tǒng)級別的影響，例如印刷電路板厚度差異和焊錫量容差，可能存在獨有的失調(diào)。第二，傳感器之間的并行軸對齊應(yīng)該是匹配的。一個電路板組裝上的標準差異將產(chǎn)生放置容差和THETA容差，需要給予考慮。最后，器件之間的軸對齊誤差和非線性失配也會影響最佳的設(shè)計和組裝。此標準可以確定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. 對于ADIS16209等兩軸傾角計，x軸和y軸對齊的相對放置角精度將影響多傳感器并行均值系統(tǒng)充分實現(xiàn)優(yōu)勢。對于三軸加速度計系統(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傳感器之間的z軸對齊。

當系統(tǒng)調(diào)試時，任何已知組裝差異應(yīng)該經(jīng)過水平校準，以便充分實現(xiàn)并行傳感器測量的優(yōu)勢。例如，各個傾角計的測量失調(diào)偏置誤差可以調(diào)零，以引用已知位置。