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MEMS加速計校準(zhǔn)提升工業(yè)應(yīng)用中的精度

作者: 時間:2013-11-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏


由于要求綜合誤差小于1%,我們可以快速回顧一下商用的傳感器的指標(biāo)。例如,一款領(lǐng)先加速計應(yīng)具有如下指標(biāo):

靈敏度:+950mV/g到+1050mV/g,等同于5%
偏移:30mg(典型值),相當(dāng)于3%(1g系統(tǒng))
100mg(最大值),相當(dāng)于10%(1g系統(tǒng))

本例中,校準(zhǔn)過程中必須首要考慮偏移和靈敏度,因?yàn)檫@兩者都超出了1%的綜合誤差目標(biāo)。

用于低g加速計的一個可靠的校準(zhǔn)源是重力。使用重力的最簡單方法是通過采用IEEE-STD-1293-1998中所給出的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)跌落測試。該跌落測試中,將一個變化范圍為+1g的激勵施加到被測器件上(DUT)。

該低激勵水平不能用于滿刻度量程小于20g的加速計的跌落測試,因?yàn)樗拥男?zhǔn)激勵等于或大于滿量程的5%。在該量程之外,線性度、分辨率、噪聲和其他與量程相關(guān)的特性將變得更有影響力,阻止所期望的精度的實(shí)現(xiàn)。為了校準(zhǔn),滿刻度量程允許4點(diǎn)跌落測試,而非多點(diǎn)跌落測試,但多點(diǎn)測試可以用于線性度誤差的計算。

這里,DUT是豎直的。DUT的X軸指向0°傾斜的水平軸。記錄DUT的X軸輸出。然后將DUT分別旋轉(zhuǎn)90°,180°和270°,記錄每點(diǎn)的X軸輸出,故對應(yīng)四個測量位置。

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圖4:四點(diǎn)跌落數(shù)據(jù)輸出

由于DUT被旋轉(zhuǎn),X軸的傳感器輸出將是傾斜角的正弦函數(shù),如圖4所示。實(shí)際曲線和理想曲線之差是由于加速計的偏移和靈敏度誤差所導(dǎo)致。通過對每個90°旋轉(zhuǎn)增量上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,這些行為可以被特性化并隔離出來。通過對0°和180°點(diǎn)上取平均可以計算出總的正弦曲線的偏移量。在從90°的數(shù)據(jù)點(diǎn)上減去270°點(diǎn)上的數(shù)據(jù),即可得到重力所提供的1g激勵的加速計輸出的測量值。

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這些關(guān)系的基礎(chǔ)是0°,90°,180°,以及270°位置的精確對準(zhǔn)。還取決于十足的1g激勵的豎直方向上的精確對準(zhǔn)。

由于追求“完美的”測量靈敏度既不實(shí)際也無法承受得起,而重要的是了解對每一個潛在誤差(校準(zhǔn)系統(tǒng)自身引入)的靈敏度如何。確定每一個誤差的影響將會有助于降低違反關(guān)鍵性能準(zhǔn)則的風(fēng)險。

初始對齊角度絕對誤差指的是起始位置誤差。該起始位置誤差將影響靈敏度,但不影響偏移。該影響可以被隔離而不影響其他的靈敏度,并且可以用下式描述:

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對于1%的靈敏度誤差,初始對齊誤差必須小于8°。如果靈敏度誤差更高,比如0.1%,則初始對齊誤差就必須小于0.8°。然而,該絕對角誤差對0°和180°兩個位置上的影響是等同的,所以該對齊誤差不影響偏移。這是采用4點(diǎn)測量方案的一個優(yōu)點(diǎn)。一旦得到實(shí)際的偏移,即可計算出初始對齊誤差:

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如果靈敏度精度目標(biāo)要求的話,可以將計算出的對齊誤差代回上面的誤差方程,并用來量化校準(zhǔn)因子。這樣,就消除了必須將初始起始角定于精確的0°的壓力。

誤差類型與計算

相對對齊誤差:該誤差被定義為每一個測量步進(jìn)間與理想的90°步進(jìn)值之間的偏差。偏移校準(zhǔn)將對該誤差有較高的靈敏度??梢岳孟铝嘘P(guān)系式來計算有對齊誤差引入的偏移誤差:

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對應(yīng)于1%的偏移精度目標(biāo),或者說是1g量程應(yīng)用中的10mg,對齊精度必須優(yōu)于0.57°。而對于0.1%的偏移精度,或者說1mg,則相對對齊精度必須優(yōu)于0.057°。盡管初始對齊誤差角容易計算,但對于高精度的校準(zhǔn)來說,相對角度靈敏度則要求嚴(yán)格的位置控制。

偏離軸向誤差:偏離軸向誤差指的是軸向相對于水平軸的變化總量。如果旋轉(zhuǎn)設(shè)備完全垂直,則說明旋轉(zhuǎn)軸是水平的。偏離軸向誤差將影響靈敏度誤差,其影響的方式與初始對齊的影響方法非常類似。

這里提醒要注意重力變化,因?yàn)?g的外部激勵未必是精確的1g。其影響恰恰是本地重力影響的2倍,另外還隨著理論重力而變化,理論重力還受到緯度,海平面仰角,月亮-太陽重力波動以及附近的超大質(zhì)量的影響。

機(jī)械振動:任何形式的振動都可以轉(zhuǎn)換成為線形,并為校準(zhǔn)引入誤差。采用花崗巖石塊或空氣隔離的桌面結(jié)構(gòu)的機(jī)械隔離,將有助于降低誤差,也可以采用數(shù)據(jù)濾波來消除振動引起的缺陷。

加速計靈敏度誤差:影響加速計靈敏度特性的兩個最重要的因素是電源電壓和溫度。在預(yù)期的電源和溫度范圍上,也可以采用四點(diǎn)跌落對加速計的行為進(jìn)行特性化。線性逼近方案要求在每個參數(shù)的極限位置(最小和最大)上采集四點(diǎn)跌落數(shù)據(jù)。根據(jù)精度要求,這些數(shù)據(jù)可以被用來外推增量校正因數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)非線性行為,可以增加更多的數(shù)據(jù)點(diǎn),同時增加曲線擬合的階數(shù)。
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