优化高精度倾斜角度感应：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准性能，并验证后续数据分析中预期的噪声水平。

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进行数据分析，但制造商通常会提供经过优化的评估板，可直接放入客户系统中，以便于使用现有嵌入式系统进行原型设计。为了便于本文说明，我们使用了小型评估板 EVAL-ADXL35x。为了进行数据记录和分析，将 EVAL-ADXL35x 连接到 SDP-K1 微控制器板并使用 Mbed 环境进行编程。Mbed 是一个开源且免费的 ARM 微控制器板开发环境。它有一个在线编译器，可让开发人员快速上手。SDP-K1 板连接到 PC 时，会显示为外部驱动器。要对板进行编程，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，可以尝试加速度计实验并将输出流式传输到简单的终端进行数据记录和进一步分析。重要的是要注意，无论加速度计的输出数据速率如何，Mbed 代码都只能以 2 Hz 的频率记录寄存器。在 Mbed 中可以实现更快的记录速度，但这超出了本文的讨论范围。

良好的起始数据集有助于确定基准性能，并验证在我们大多数后续数据分析中预期的噪声水平。使用带有吸盘支架的 PanaVise 铰接式虎钳臂5可以在工作台设置中实现相当稳定的工作表面，因为它可以吸附在玻璃工作表面上。在这种配置下，ADXL355 板(从侧面握住)与实验室台面一样稳定。更高级的高级用户可能会注意到，这种虎钳支架存在一些倾倒运动的风险，但这是一种简单且经济高效的方法，允许根据重力改变方向。将 ADXL355 板放置在支架上(如图 1 所示)，可以捕获一组 60 秒的数据进行首次分析。

图 2. 使用 EVAL-ADXL35x、SDP-K1 和 PanaVise 支架的测试设置。

图 2. 没有低通滤波器的 ADXL355 数据(寄存器 0x28=0x00)，拍摄时间超过 1 分钟。(来源：Analog Devices)

取 120 个数据点并测量标准偏差，结果显示噪声范围为 800 μ g至 1.1 m g。从数据手册中 ADXL355 的典型性能规格来看，噪声密度为 25 µ g /√Hz。使用默认低通滤波器 (LPF) 设置时，加速度计的带宽约为 1000 Hz。因此，噪声预计为 25 µ g /√Hz × √1000 Hz = 791 µ g均方根，假设是砖墙式滤波器。第一个数据集通过了第一次嗅探测试。准确地说，从噪声频谱密度到均方根噪声的转换应该有一个因子来表示数字 LPF 没有无限滚降(即砖墙式滤波器)。有些人对简单的 RC 单极 20 dB/十倍滚降使用 1.6× 系数，但 ADXL355 数字低通滤波器不是单极 RC 滤波器。无论如何，假设系数在 1 到 1.6 之间至少可以让我们得到噪声预期的正确近似值。

对于许多精密传感应用，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 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，这应该会使噪声净减少 √1000/√4 ≈ 16 倍。这在 Mbed 环境中使用图 3 所示的简单结构即可轻松完成，而数据如图 4 所示。6滤波后，噪声明显下降，正如预期的那样。如下表 1 所示。

图 3. 用于配置寄存器的 Mbed 代码。

图 4. LPF 设置为 4 Hz(寄存器 0x28=0x08)的 ADXL355 数据，采集时间超过 1 分钟。(来源：Analog Devices)

表 1. ADXL355 的预期噪声和测量噪声(来源：Analog Devices)

噪音X是是

理论值

(μg)测量值

(μg)理论值

(μg)测量值

(μg)理论值

(μg)测量值

(μg)

没有过滤器7919237911139791805

4 Hz 滤波器5058501855063

表 1 显示，当前设置下 y 轴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在 y 轴上表现为噪声。为了测试这一点，旋转虎钳以将 x 轴置于 y 轴进行此测试的位置，并且噪声较高的轴确实移动到了 x 轴。轴之间的噪声差异似乎是仪器噪声，而不是加速度计轴间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，因此它为进一步的测试提供了信心。

为了了解热冲击对 ADXL355 的影响有多大，我们用热风枪7并将其置于较冷空气模式(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，偏移的温度系数将在芯片升温时显示出来，但任何差异热应力几乎都会立即出现。换句话说，如果单个传感轴对差异热应力敏感，则预计加速度计输出会出现波动。在安静时从数据中删除平均值，可以轻松同时比较所有三个轴。结果如图 5 所示。

图 5. 使用热风枪在低温环境下测量 ADXL355 热冲击数据。

如图 5 所示，气枪将略微温暖的空气吹向与环境密封的陶瓷封装。这导致 z 轴偏移约 1500 μ g，y 轴偏移量小得多(可能约为 100 µ g)，x 轴几乎没有偏移。虽然许多最终客户产品的 PCB 顶部都有一些外壳来分散差异热应力，但重要的是要考虑这些类型的快速瞬态应力，它们可能表现为偏移误差，如这个简单测试所示。

图6显示了热风枪关闭时的反极性效果。

图 6. ADXL355 热冲击，气枪在 t = 240 秒时关闭。

当气枪在加热环境下使用时，即温度冲击幅度较大时，这种影响更加明显。Weller 气枪的输出温度约为 ~400°C，因此，重要的是要保持一定距离，以防止过热或热冲击造成损坏。在本次测试中，热风吹在距离 ADXL355 约 15 厘米处，导致几乎瞬间的温度冲击约为 40°C，如图 7 所示。

图 7. 使用热风枪对 ADXL355 进行热冲击。

尽管热冲击的程度相当强烈，但在本实验中，z 轴的响应速度比 x 轴和 y 轴快得多，这仍然令人震惊。使用数据表中的偏移温度系数，温度变化 40°C，预计会观察到约 100 µ g /°C × 40 °C = 4 m g的偏移，x 轴和 y 轴最终会开始显示这一偏移。然而，注意到几乎瞬间的 10 m gz 轴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。这是传感器上的差异热应力/应变的结果，最明显地出现在 z 轴上，因为该传感器对差异应力比 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)在数据手册中规定为 ±100 µ g /°C。了解此处使用的测试方法非常重要，因为失调温度系数是使用烤箱中的加速度计测量的。烤箱缓慢地在传感器的温度范围内升温，并测量失调的斜率。图 8 显示了典型示例。

图 8. 基于烤箱的 ADXL355 温度特性。

此图中有两个影响因素。一个是数据手册中描述和记录的失调温度系数。这可以解释为许多部件在 –45°C 至 +120°C 范围内的平均值，因为炉温以 5°C/分钟的速度升温，但没有任何浸泡时间。这将从类似于图 9 的图中得出，并将在165°C 时显示约 18 m g ，或约 109 µ g /°C，略微超出 100 µ g /°C的典型值，但在数据手册中指定的最小和最大范围内。但是，请考虑图 9 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，实际的失调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 或约 60 µ g /°C 偏移温度系数。第二个影响是当传感器检测质量在整个硅器件上的温度稳定下来时产生的差异热应力，然后应力就会减小。这是图 6 至图 8 中所示的气枪测试中看到的效果，重要的是要了解这种影响比数据表中列出的长期偏移温度系数在更快的时间尺度上起作用。这对于许多系统来说可能是有价值的，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。