Установление базовой производительности высокоточных МЭМС-акселерометров

В первой части этой серии мы изучили внутреннюю архитектуру трёхосевого МЭМС-акселерометра ADXL355. В данной статье объясняется, как собрать надежный исходный набор данных, который подтвердит собственный уровень шума устройства и проверит ожидания для последующих экспериментов по обработке сигналов.

Хотя аналоговый выход акселерометра можно подключить к любой системе сбора данных (DAQ), компания Analog Devices предлагает компактную отладочную плату — EVAL‑ADXL35x — предназначенную для быстрой интеграции в встраиваемые прототипы. В этом исследовании плата была установлена на микроконтроллер SDP‑K1 и запрограммирована через бесплатную среду Mbed на базе ARM. При подключении к ПК SDP‑K1 определяется как внешний накопитель, что позволяет прошить скомпилированный бинарный файл простым перетаскиванием на диск.

После запуска прошивки Mbed данные передавались через UART в терминал и регистрировались с частотой 2 Гц. Хотя ADXL355 способен выдавать данные с гораздо более высокой скоростью, в данной работе фокусируется на логировании с низкой частотой, достаточном для установления базовой линии.

Для обеспечения стабильной измерительной поверхности датчик был закреплён на стеклянном столе с помощью артикулированной руки PanaVise с вакуумным креплением. Хотя тиски несут незначительный риск наклона, это экономичный способ вращения датчика относительно вектора гравитации без перемещения всего стола. ADXL355 был позиционирован, как показано на рисунке 1, и захвачен 60-секундный поток данных для первичного анализа.

нажмите для полноразмерного изображения

Рисунок 2. Испытательная установка с EVAL‑ADXL35x, SDP‑K1 и креплением PanaVise. (Источник: Analog Devices)

нажмите для полноразмерного изображения

Рисунок 3. Данные ADXL355 без нижнего частотного фильтра (регистр 0x28=0x00), полученные за 1 минуту. (Источник: Analog Devices)

Из 120 отсчётов стандартное отклонение составило от 800 мкг до 1,1 мг. В спецификации ADXL355 указана плотность шума 25 мкг/√Гц. При полосе пропускания 1 кГц (фильтр нижних частот включен) это соответствует 25 мкг/√Гц × √1000 Гц ≈ 791 мкг RMS, предполагая идеальный «кирпичный» фильтр. Измеренные значения комфортно вписываются в этот теоретический диапазон, подтверждая шумовую характеристику датчика.

Большинство высокоточных приложений не требуют полосы пропускания 1 кГц. Настроив встроенный цифровой фильтр нижних частот (ФНЧ) на 4 Гц, эффективный шум должен снизиться в √1000/√4 ≈ 16 раз. Изменение прошивки Mbed показано на рисунке 4, а полученные данные — на рисунке 5. Таблица 1 суммирует измеренные и теоретические значения шума для каждой оси с фильтром и без него.

нажмите для полноразмерного изображения

Рисунок 4. Код Mbed для настройки регистра. (Источник: Analog Devices)

нажмите для полноразмерного изображения

Рисунок 5. Данные ADXL355 с ФНЧ 4 Гц (регистр 0x28=0x08), полученные за 1 минуту. (Источник: Analog Devices)

Обратите внимание, что шум по оси Y превысил теоретическое предсказание. Систематическое расследование выявило, что вентиляторы ноутбука и другого лабораторного оборудования создавали вибрации преимущественно в направлении оси Y. Поворот датчика так, чтобы ось X совпала с источником вибрации, перенёс избыточный шум на ось X, подтвердив, что расхождение вызвано внешними механическими воздействиями, а не внутренними вариациями датчика.

Для оценки реакции датчика на быстрые тепловые возмущения использовался термопневматический пистолет Weller 6966C в режиме «cool» (подъём температуры ≈ 40 °C). Встроенный термодатчик ADXL355 регистрировал температуру окружающей среды, пока пистолет направлял тёплый воздух на керамический корпус, который герметично запечатан. На рисунке 6 показан выраженный сдвиг нуля по оси Z ≈ 1,5 мг и значительно меньшие смещения по осям X и Y. Когда пистолет выключали, ось Z возвращалась к базовой линии практически мгновенно, как показано на рисунке 7.

нажмите для полноразмерного изображения

Рисунок 6. Данные ADXL355 при тепловом шоке от термопневматического пистола в режиме cool. (Источник: Analog Devices)

нажмите для полноразмерного изображения

Рисунок 7. Тепловой шок ADXL355: пистолет выключен при t = 240 секунд. (Источник: Analog Devices)

Быстрый сдвиг по оси Z (≈ 10 мг) значительно превышает температурный коэффициент смещения нуля 100 мкг/°C, указанный в спецификации. Это поведение объясняется дифференциальными тепловыми напряжениями через кремниевый кристалл, которые сильнее влияют на подвижную массу в направлении Z. В то же время подъём температуры на 40 °C по коэффициенту смещения дал бы только 4 мг, что подчёркивает механическую природу наблюдаемого эффекта, а не тепловой дрейф.

Характеризация в термостате (рисунок 8) подтверждает температурный коэффициент смещения примерно 100 мкг/°C в диапазоне –45 °C … +120 °C при медленном нагреве 5 °C/мин без выдержки. 15-минутная выдержка при 120 °C снижает эффективный коэффициент до ≈ 60 мкг/°C, так как дифференциальные напряжения уравновешиваются.

нажмите для полноразмерного изображения

Рисунок 8. Характеризация ADXL355 по температуре в термостате. (Источник: Analog Devices)

Эти базовые измерения подтверждают, что ADXL355 обеспечивает заявленную низкошумовую производительность при работе с соответствующим цифровым фильтром нижних частот, а быстрые тепловые шоки могут вызывать значительные переходные смещения нуля, которые необходимо учитывать при проектировании.

В третьей части этой серии мы рассмотрим дополнительные факторы, влияющие на долгосрочную стабильность, и предоставим рекомендации по механическому проектированию для дальнейшего повышения производительности датчика.

Ссылки

• ¹ Chris Murphy, «Choosing the Most Suitable MEMS Accelerometer for Your Application—Part 1», Analog Dialogue, vol. 51, no. 4, окт. 2017.
• ² Chris Murphy, «Accelerometer Tilt Measure Over Temperature and in the Presence of Vibration», Analog Dialogue, авг. 2017.
• ³ Система оценки SDP‑K1.
• ⁴ Руководство пользователя Mbed для SDP‑K1.
• ⁵ Артикулированная рука PanaVise.
• ⁶ Пример кода Mbed.
• ⁷ Термопневматический пистолет Weller 6966C.
• ⁸ Парилён.