MEMS加速度计的振动校正

MEMS传感器即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems),是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展,已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术,具有广阔的应用前景。截止到2010年,全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作,已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品,其中MEMS传感器占相当大的比例。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时,在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

 

高性能MEMS加速度计为各种集成惯性测量的应用提供低成本解决方案。具体例子包括:导航和AHRS系统,用于机器健康状况检测的振动监控,基础设施的结构健康状况监控,以及用于平台稳定、井下定向钻探的倾斜监控、施工行业平路机和勘测设备的调平、吊车稳定系统吊杆倾角测量的高精度倾角计。在大多数此类例子中,加速度计会经受不同幅度的振动。这些应用的另一个不同方面是振动的频率成分。振动与传感器和系统误差源相结合可能导致振动校正,这是高性能加速度计的一个重要指标。本文说明MEMS加速度计中的振动校正是如何发生的,并讨论各种测量此参数的技术。作为案例研究,本文会讨论低噪声、低功耗加速度计ADXL355的振动校正。低振动校正误差以及所有其他特性,使这款器件成为上述精密应用的理想之选。

 

振动校正的来源

 

振动校正误差(VRE)是加速度计对交流振动(被整流为直流)的响应,表现为加速度计失调的异常偏移。在倾角计等应用中,这是一个重大误差源,因为加速度计的直流输出是目标信号,失调的任何改变都可能被错误地解读为倾角变化,导致误差一路向下传递,从而引起安全系统误触发、平台稳定或钻桅对准机制过度补偿等。

 

VRE高度依赖于加速度计所经受的振动特性曲线,不同应用施加于加速度计的振动模式会不同,因而VRE可能不同。振动校正有多种发生机制,本文讨论其中的两种。

 

非对称轨

 

第一种机制是非对称轨。重力产生一个静态1 g (9.8 m/s2)加速度场,当加速度计敏感轴竖直对齐时,其测量范围会有一个偏移。2 g满量程范围的传感器与重力加速度对齐时,将只能测量1 g峰值振动,否则响应会被削波。超过1 g的对称激励信号的平均值将不为零,原因是在经受额外1 g加速度的方向上,电平会被削波。

MEMS加速度计的振动校正

图1.±2 g满量程范围的加速度计因为非对称削波而产生的振动校正图解

 

图1中,一个激励振动信号施加于2 g满量程传感器上。当振动为0.3 g rms(300到600样本之间)时,失调没有可观测的偏移。然而,当振动为1 g rms(600到1000样本之间)时,VRE约为–100 mg。

 

VRE可建模为一个截断分布的平均偏移,受加速度计满量程范围的限制。当传感器在1 g场中经受随机振动时,输入激励信号可建模为一个平均值μ= 1 g且标准差σ= X的正态分布,其中X表示输入振动幅度均方根值。传感器输出建模为双截断正态分布,输出值下界和上界分别为–R和+R,其中R为传感器的最大范围。此双截断正态分布的平均值计算如下:

MEMS加速度计的振动校正

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发布日期:2019年03月03日  所属分类:参考设计