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[导读]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。

图片1.png

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:

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