优化高精度倾斜/角度感测：建立基线性能

在本系列的第一部分中，我们回顾了 3 轴高精度 MEMS 加速度计的内部结构。在第二篇文章中，我们将回顾如何获取良好的起始数据集以建立基线性能并验证在后续数据分析中预期的噪声级别。

虽然加速度计的模拟输出可以连接到任何模拟数据采集系统以进行数据分析，但制造商通常会提供经过优化的评估板，可以直接放置到客户系统中，以便使用现有的嵌入式系统进行原型设计。为了本文的说明目的，使用了小尺寸评估板 EVAL-ADXL35x。对于数据记录和分析，EVAL-ADXL35x 连接到 SDP-K1 微控制器板并使用 Mbed 环境进行编程。 Mbed 是基于 ARM 的微控制器板的开源和免费开发环境。它有一个在线编译器，可以让开发人员快速上手。 SDP-K1 板在连接到 PC 时显示为外部驱动器。要对电路板进行编程，只需将编译器生成的二进制文件拖放到 SDP-K1 驱动器中即可。 ^{3, 4}

一旦 Mbed 系统通过 UART 记录数据，我们现在就有了一个基本的测试环境，用于尝试加速度计实验并将输出流式传输到一个简单的终端以进行数据记录和进一步分析。需要注意的是，无论加速度计的输出数据速率如何，Mbed 代码仅以 2 Hz 的频率记录寄存器。在 Mbed 中可以比这更快地记录日志，但这超出了本文的范围。

一个好的起始数据集有助于建立基线性能并验证在我们大多数后续数据分析中预期的噪声水平。使用 PanaVise 铰接式虎钳 ⁵ 带有吸盘安装座的组件可以在工作台设置中提供相当稳定的工作表面，因为它会粘在玻璃工作表面上。在此配置中，ADXL355 板（从侧面固定）与实验室台式一样稳定。更高级的高级用户可能会注意到，这种虎钳支架可能会有倾斜运动的风险，但它是一种简单且经济高效的方法，可以根据重力改变方向。如图 1 所示，将 ADXL355 板放置在安装座中，捕获一组 60 秒的数据用于第一次分析。

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图 2. 使用 EVAL-ADXL35x、SDP-K1 和 PanaVise 安装座的测试设置。 （来源：Analog Devices）

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图 2. 没有低通滤波器的 ADXL355 数据（寄存器 0x​​28=0x00），耗时 1 分钟。 （来源：Analog Devices）

取 120 个数据点并测量标准偏差显示 800 μg 范围内的噪声 到 1.1 米g .从数据表中的 ADXL355 典型性能规格中，我们看到噪声密度列为 25 µg /√Hz。在默认低通滤波器 (LPF) 设置下，加速度计的带宽约为 1000 Hz。噪声预计为 25 µg /√Hz × √1000 Hz =791 µg rms，假设一个砖墙过滤器。第一个数据集通过了第一次嗅探测试。准确地说，从噪声频谱密度到 rms 噪声的转换应该有一个因子来表示数字 LPF 没有无限滚降（即砖墙滤波器）这一事实。有些使用 1.6 倍系数来实现简单的 RC 单极点 20 dB/十倍频滚降，但 ADXL355 数字低通滤波器不是单极点 RC 滤波器。无论如何，假设系数介于 1 和 1.6 之间，至少可以让我们对噪声预期进行正确的近似。

对于许多精密传感应用而言，1000 Hz 的带宽对于被测信号来说太宽了。为了帮助优化带宽和噪声之间的权衡空间，ADXL355 具有一个板载数字低通滤波器。对于下一个测试，我们将 LPF 设置为 4 Hz，这应该可以将噪声净降低 √1000/√4 ≈ 16。这在 Mbed 环境中使用图 3 所示的简单结构简单地完成，而数据如图4所示。 ⁶ 过滤后，噪音按预期明显下降。如下表1所示。

图 3. 用于配置寄存器的 Mbed 代码。 （来源：Analog Devices）

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图 4. ADXL355 数据，LPF 设置为 4 Hz（寄存器 0x​​28=0x08），耗时 1 分钟。 （来源：Analog Devices）

表 1. ADXL355 的预期和测量噪声（来源：ADI）

噪声XYZ理论
(μg)实测
(μg)理论
(μg)实测
(μg)理论
(μg)实测
(μg)无过滤器79192379111397918054赫兹滤波器5058501855063

表 1 显示，在当前设置下，y 轴上的噪声高于理论预期。在调查了可能的原因后，我们注意到额外的笔记本电脑和其他实验室设备风扇振动可能会在 y 轴上表现为噪音。为了测试这一点，旋转台钳以将 x 轴置于 y 轴用于此测试的位置，并且较高的噪声轴确实移动到 x 轴。然后，轴之间的噪声差异似乎是仪器噪声，而不是加速度计轴上噪声水平的内在差异。这种类型的测试实际上是低噪声加速度计的“Hello World”测试，因此可以为进一步测试提供信心。

为了了解热冲击对 ADXL355 的影响有多大，我们使用了热风枪 ⁷ 并将其置于冷空气模式（实际上比室温高几度），以便对加速度计施加热应力。还使用 ADXL355 的板载温度传感器记录温度。实验中使用虎钳将 ADXL355 垂直放置，以便气枪可以在封装顶部吹气。该实验的预期结果是偏移的温度系数会随着芯片升温而出现，但任何不同的热应力几乎都会立即出现。换句话说，如果单独的传感轴对不同的热应力敏感，人们就会期望在加速度计输出中看到一个凸起。在安静时从数据中去除平均值可以轻松地同时比较所有三个轴。结果如图5所示。

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图 5. ADXL355 在冷设置下使用热风枪的热冲击数据。 （来源：Analog Devices）

从图 5 中可以看出，气枪将稍微温暖的空气吹到与环境密封的陶瓷封装上。这导致 ~1500 μg z 轴上的位移，y 轴上的位移量要小得多（可能 ~100 µg )，并且几乎没有在 x 轴上移动。虽然许多最终客户产品在 PCB 顶部有一些外壳来分配不同的热应力，但重要的是要考虑这些类型的快速瞬态应力，如在这个简单的测试中看到的那样，它们可以表现为偏移误差。

图6显示了热风枪关闭时的相反极性效应。

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图 6. ADXL355 热冲击，气枪在 t =240 秒时关闭。 （来源：Analog Devices）

当气枪在加热环境中使用时，这种效果更加明显；也就是说，当温度冲击的幅度较大时。 Weller 气枪的输出量级约为 400°C，因此一定要在一定距离外使用它，以防止过热或热冲击造成损坏。在本次测试中，热风从 ADXL355 大约 15 cm 处吹过，这导致了大约 40°C 的几乎瞬时温度冲击，如图 7 所示。

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图 7. ADXL355 使用热风枪进行热冲击。 （来源：Analog Devices）

尽管热冲击量相当大，但在本实验中 z 轴的响应速度比 x 轴和 y 轴快得多仍然令人惊讶。使用数据表中的偏移温度系数，并且温度变化 40°C，人们预计会观察到大约 100 µg /°C × 40 °C =4 mg 移动，x 轴和 y 轴最终开始显示。然而，注意到几乎瞬间 10 mg z 轴上的偏移表明这是正在处理的不同影响，而不是由于温度引起的偏移偏移。这是传感器上不同热应力/应变的结果，在 z 轴上最为明显，因为该传感器对不同应力比 x 和 y 更敏感，如本文前面所述。

ADXL355 失调的典型温度系数（失调温度系数）规定为 ±100 µg /°C 在数据表中。理解这里使用的测试方法很重要，因为偏移温度系数是用烤箱中的加速度计测量的。烤箱在传感器的温度范围内缓慢上升，并测量偏移的斜率。一个典型的例子如图8所示。

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图 8. ADXL355 基于烤箱的温度特性。 （来源：Analog Devices）

这个情节有两个影响。一种是在数据表中表征和记录的偏移温度系数。这可以解释为许多零件在 –45°C 到 +120°C 之间的平均值，因为烤箱以 5°C/分钟的速度升温但没有任何保温时间。这将来自类似于图 9 的图，并且会显示大约 18 mg 超过 165°C，或约 109 µg /°C，略高于典型值 100 µg /°C，但在数据表中指定的最小和最大范围内。但是，请考虑图 9 的右侧，因为器件继续在 120°C 下浸泡约 15 分钟。当器件处于高温下时，实际偏移量会下降并改善。在这种情况下，平均值接近 10 mg 超过 165°C 或大约 60 µg /°C 偏移温度系数。第二个作用是不同的热应力，因为传感器检测质量在整个硅器件上的温度稳定，然后应力减小。这是在图 6 到图 8 所示的气枪测试中看到的影响，重要的是要了解这种影响在比数据表中列出的长期偏移温度系数更快的时间尺度上运行。这对于许多系统来说可能很有价值，由于它们的整体热动力学，它们的升温速度可能比 5°C/min 慢得多。

在本系列的第三部分，我们将探讨影响稳定性的其他因素，然后提供机械系统设计建议，以提高三轴高精度 MEMS 加速度计的整体性能。

参考文献

¹ 克里斯墨菲。 “为您的应用选择最合适的 MEMS 加速度计——第 1 部分。”模拟对话，卷。 2017年10月第51期第4期。

² 克里斯墨菲。 “加速度计倾斜测量温度和存在振动的情况。”模拟对话，2017 年 8 月。

³ SDP-K1评估系统。模拟设备公司

⁴ Mbed：SDP-K1 用户指南。模拟设备公司

⁵ PanaVise 铰接式臂架。帕纳维斯。

⁶ mbed 代码。模拟设备公司

⁷ Weller 6966C 加热/冷却风枪。韦勒。

⁸ 聚对二甲苯。维基百科。