Оптимизация высокоточного определения наклона / угла:определение базовой производительности

В первой части этой серии статей мы рассмотрели внутреннюю структуру 3-осевого высокоточного акселерометра MEMS. В этой второй статье мы рассмотрим, как получить хороший начальный набор данных, чтобы установить базовую производительность и проверить, какой уровень шума следует ожидать при последующем анализе данных.

В то время как аналоговый выход акселерометра может быть подключен к любой системе сбора аналоговых данных для анализа данных, производители часто предоставляют оценочные платы, оптимизированные для размещения непосредственно в клиентских системах, чтобы упростить создание прототипов с существующими встроенными системами. В иллюстративных целях для этой статьи использовалась оценочная плата малого форм-фактора EVAL-ADXL35x. Для регистрации и анализа данных EVAL-ADXL35x был подключен к плате микроконтроллера SDP-K1 и запрограммирован с использованием среды Mbed. Mbed - это бесплатная среда разработки для плат микроконтроллеров на базе ARM. Он имеет онлайн-компилятор и позволяет разработчикам быстро приступить к работе. Плата SDP-K1 при подключении к ПК отображается как внешний диск. Чтобы запрограммировать плату, просто перетащите двоичный файл, сгенерированный компилятором, на диск SDP-K1. ^{3, 4}

Как только система Mbed регистрирует данные через UART, у нас теперь есть базовая тестовая среда для опробования экспериментов с акселерометром и потоковой передачи вывода на простой терминал для регистрации данных и дальнейшего анализа. Важно отметить, что независимо от выходной скорости данных акселерометра, код Mbed регистрирует только регистры с частотой 2 Гц. В Mbed возможно более быстрое ведение журнала, но это выходит за рамки этой статьи.

Хороший исходный набор данных помогает установить базовую производительность и проверить, какой уровень шума следует ожидать в большинстве наших последующих анализов данных. Использование шарнирных тисков PanaVise ⁵ с креплением на присоске позволяет получить достаточно устойчивую рабочую поверхность на столе, так как она прилипает к стеклянной рабочей поверхности. Плата ADXL355 (удерживается сбоку) столь же стабильна, как и лабораторный стол в этой конфигурации. Более продвинутые опытные пользователи могут заметить, что это крепление тисков может иметь некоторый риск опрокидывания, но это простой и экономичный метод, позволяющий изменять ориентацию по отношению к силе тяжести. При установке платы ADXL355 в крепление, как показано на рис. 1, для первого анализа собирается набор данных за 60 секунд.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 2. Испытательная установка с использованием крепления EVAL-ADXL35x, SDP-K1 и PanaVise. (Источник:Analog Devices)

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 2. Данные ADXL355 без фильтра нижних частот (регистр 0x28 =0x00), полученные за 1 минуту. (Источник:Analog Devices)

Если взять 120 точек данных и измерить стандартное отклонение, то получится шум в диапазоне 800 мк g . до 1,1 м г . Исходя из типичных характеристик производительности ADXL355 в листе технических данных, мы видим, что плотность шума составляет 25 мк г . / √Гц. С настройками фильтра нижних частот (LPF) по умолчанию, акселерометр имеет полосу пропускания около 1000 Гц. В этом случае ожидается, что шум составит 25 мк g . / √Гц × √1000 Гц =791 мк г среднеквадратичное значение, предполагая фильтр с кирпичной стеной. Этот первый набор данных проходит первый тест на сниффинг. Чтобы быть точным, преобразование от спектральной плотности шума к среднеквадратичному шуму должно иметь коэффициент, отражающий тот факт, что цифровой LPF не имеет бесконечного спада (то есть фильтр кирпичной стены). Некоторые используют коэффициент 1,6 для простого однополюсного RC-фильтра спада 20 дБ / декаду, но цифровой фильтр нижних частот ADXL355 не является однополюсным RC-фильтром. В любом случае, если принять коэффициент от 1 до 1,6, по крайней мере, мы получим правильное приближение для ожидаемого шума.

Для многих приложений точного измерения частота 1000 Гц - слишком широкая полоса пропускания для измеряемых сигналов. Чтобы помочь оптимизировать соотношение между полосой пропускания и шумом, ADXL355 имеет встроенный цифровой фильтр нижних частот. Для следующего теста мы устанавливаем LPF равным 4 Гц, что должно иметь чистое снижение шума в √1000 / √4 ≈ 16. Это делается просто в среде Mbed с использованием простой структуры, показанной на рисунке 3. , а данные показаны на рисунке 4. ⁶ После фильтрации шум заметно снизился, как и ожидалось. Это показано в Таблице 1 ниже.

Рисунок 3. Mbed-код для настройки реестра. (Источник:Analog Devices)

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 4. Данные ADXL355 с LPF, установленным на 4 Гц (регистр 0x28 =0x08), полученные за 1 минуту. (Источник:Analog Devices)

Таблица 1. Ожидаемый и измеренный уровень шума ADXL355 (Источник:Analog Devices)

Шум XYZ Теоретический
(мкг) Измеренный
(мкг) Теоретический
(мкг) Измеренный
(мкг) Теоретический
(мкг) Измеренный
(мкг) Нет фильтра79192379111397918054 Гц Фильтр 5058501855063

Таблица 1 показывает, что шум по оси ординат при данной установке выше, чем ожидается в теории. После исследования возможных причин мы заметили, что дополнительная вибрация вентилятора ноутбука и другого лабораторного оборудования, вероятно, проявляется по оси Y в виде шума. Чтобы проверить это, тиски были повернуты, чтобы поместить ось x в положение, в котором ось y была для этого тестирования, а ось более высокого шума действительно переместилась к оси x. Тогда разница в уровне шума между осями представляется инструментальным шумом, а не внутренней разницей в уровнях шума по осям акселерометра. Этот тип тестирования по сути является тестом «Hello World» для малошумящего акселерометра, поэтому он дает уверенность в дальнейшем тестировании.

Чтобы понять, какое влияние окажет тепловой удар на ADXL355, мы взяли термофен ⁷ и переведите его в режим более прохладного воздуха (температура практически на несколько градусов выше комнатной), чтобы приложить термические нагрузки к акселерометру. Температура также регистрируется с помощью встроенного датчика температуры ADXL355. В эксперименте использовались тиски, чтобы расположить ADXL355 вертикально, чтобы воздушный пистолет мог выдувать воздух в верхней части упаковки. Ожидаемый результат этого эксперимента состоит в том, что температурный коэффициент смещения будет отображаться при нагревании штампа, но любые дифференциальные термические напряжения появятся почти мгновенно. Другими словами, если отдельная ось зондирования чувствительна к дифференциальному тепловому напряжению, можно ожидать увидеть скачок на выходе акселерометра. Удаление среднего значения из данных, когда оно было тихим, позволяет легко сравнивать все три оси одновременно. Результаты показаны на рисунке 5.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 5. Данные о тепловом ударе ADXL355 с использованием термофена при охлаждении. (Источник:Analog Devices)

Как видно на рисунке 5, воздушный пистолет обдувал керамический корпус, герметично закрытый от окружающей среды, чуть более теплым воздухом. В результате получается ~ 1500 мкм г сдвиг по оси Z, гораздо меньший сдвиг по оси Y (возможно, ~ 100 мк г ), а по оси абсцисс практически нет. Хотя многие продукты для конечных потребителей имеют некоторый кожух поверх печатной платы, который распределяет дифференциальные термические напряжения, важно учитывать эти типы быстрых переходных напряжений, которые могут проявляться в ошибке смещения, как видно в этом простом тесте.

На рис. 6 показан эффект противоположной полярности, когда термофен выключен.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 6. Термический удар ADXL355 при отключении пневматического пистолета при t =240 секунд. (Источник:Analog Devices)

Этот эффект еще более выражен, когда воздушный пистолет используется в режиме подогрева; то есть, когда температурный шок больше по величине. Выходная мощность воздушного пистолета Weller составляет порядка ~ 400 ° C, поэтому важно применять его на расстоянии, чтобы предотвратить повреждение от перегрева или теплового удара. В этом тесте горячий воздух подавался на расстоянии примерно 15 см от ADXL355, что привело к почти мгновенному температурному скачку ~ 40 ° C, как показано на Рисунке 7.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 7. Термический удар ADXL355 с помощью термофена. (Источник:Analog Devices)

Несмотря на то, что величина теплового удара довольно сильна, все же поразительно видеть, насколько быстрее ось z реагирует в этом эксперименте, чем оси x и y. Используя смещение температурного коэффициента из таблицы данных и сдвиг температуры на 40 ° C, можно было бы ожидать получить около 100 мк г / ° C × 40 ° C =4 м г сдвиг, который в конечном итоге начинают показывать оси x и y. Однако, учитывая почти мгновенный g сдвиг по оси z показывает, что это другой эффект, с которым имеют дело, а не сдвиг смещения из-за температуры. Это результат дифференциального теплового напряжения / деформации на датчике и наиболее очевидно проявляется по оси z, поскольку этот датчик более чувствителен к дифференциальным напряжениям, чем x и y, как описано ранее в этой статье.

Типичный температурный коэффициент смещения ADXL355 (смещение tempco) указан на уровне ± 100 мк g . / ° C в техническом паспорте. Важно понимать используемую здесь методологию испытаний, поскольку температура смещения измеряется акселерометрами в печи. Печь медленно продвигается через температурный диапазон датчика, и измеряются крутизны смещения. Типичный пример показан на рисунке 8.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 8. Температурные характеристики ADXL355 в зависимости от температуры печи. (Источник:Analog Devices)

В этом сюжете задействованы два эффекта. Один из них - это смещение tempco, описанное и задокументированное в техническом паспорте. Это можно интерпретировать как среднее значение для многих частей от –45 ° C до + 120 ° C, когда печь увеличивает температуру со скоростью 5 ° C / мин, но без какого-либо времени выдержки. Это будет получено из графиков, подобных рисунку 9, и выделит около 18 м g выше 165 ° C, или около 109 мк г / ° C, что немного выходит за пределы типичного значения 100 мк г / ° C, но в пределах минимального и максимального диапазона, указанного в техническом паспорте. Однако обратите внимание на правую часть рисунка 9, так как устройства продолжают выдерживать при 120 ° C в течение примерно 15 минут. По мере того как устройства нагреваются до высокой температуры, фактическая величина сдвига смещения уменьшается и улучшается. В этом случае среднее значение близко к 10 м г выше 165 ° C или около 60 мк г / ° C смещение темп. Второй эффект - это дифференциальное тепловое напряжение, поскольку температура тестовой массы датчика стабилизируется по всему кремниевому устройству, а затем напряжение уменьшается. Это эффект, который наблюдается при испытании пневматического пистолета, показанном на рисунках с 6 по 8, и важно понимать, что этот эффект действует в более быстром масштабе времени, чем долгосрочные температуры смещения, указанные в таблице данных. Это может быть полезно для многих систем, которые из-за их общей тепловой динамики, вероятно, будут иметь гораздо более медленное изменение температуры, чем 5 ° C / мин.

В третьей части этой серии статей мы исследуем другие факты, влияющие на стабильность, а затем предложим рекомендации по проектированию механической системы для улучшения общих характеристик 3-осевого высокоточного акселерометра MEMS.

Ссылки

¹ Крис Мерфи. «Выбор наиболее подходящего акселерометра MEM для вашего приложения - Часть 1.» Аналоговый диалог, Vol. 51, No. 4, октябрь 2017 г.

² Крис Мерфи. «Измерение наклона акселерометра при превышении температуры и при наличии вибрации». Аналоговый диалог, август 2017 г.

³ Оценочная система SDP-K1. Analog Devices, Inc.

⁴ Mbed:Руководство пользователя SDP-K1. Analog Devices, Inc.

⁵ Крепление для шарнирного рычага PanaVise. PanaVise.

⁶ Код Mbed. Analog Devices, Inc.

⁷ Нагревательный / охлаждающий воздушный пистолет Weller 6966C. Веллер.

⁸ Парилен. Википедия.