Оптимизация высокоточного определения наклона / угла:повышение производительности

В первой части этой серии статей мы рассмотрели внутреннюю структуру 3-осевого высокоточного акселерометра MEMS. Во второй части мы рассмотрели, как получить хороший начальный набор данных, чтобы установить базовые характеристики и проверить, какой уровень шума следует ожидать при последующем анализе данных. В этом последнем выпуске нашей серии мы исследуем другие факторы, влияющие на стабильность, а затем предлагаем рекомендации по проектированию механической системы для улучшения общих характеристик 3-осевого высокоточного МЭМС-акселерометра.

После того, как термические напряжения в конструкции будут хорошо изучены, другим важным аспектом инерционных датчиков станет их долговременная стабильность или повторяемость. Повторяемость определяется как точность последовательных измерений в одних и тех же условиях в течение длительного периода времени. Например, провести два измерения гравитационного поля в одной ориентации относительно силы тяжести при одной и той же температуре в течение длительного периода и посмотреть, насколько хорошо они совпадают. Воспроизводимость смещения и чувствительности имеют первостепенное значение при оценке долговременной стабильности датчика в приложениях, которые не могут обеспечить калибровку при регулярном техническом обслуживании. Многие производители датчиков не описывают и не указывают долгосрочную стабильность в своих технических паспортах. В листе технических данных ADI ADXL355, например, повторяемость прогнозируется для 10-летнего срока службы и включает измеренные сдвиги из-за испытания на срок службы при высоких температурах (HTOL) (TA =150 ° C, VSUPPLY =3,6 В и 1000 часов), измеренных температурный цикл (от -55 ° C до + 125 ° C и 1000 циклов), случайное блуждание скорости, широкополосный шум и температурный гистерезис. Повторяемость, как показано в таблице данных, составляет ± 2 м г и ± 3 м g для датчиков X / Y и Z соответственно. Эти измерения важны для оценки долгосрочной эффективности.

Воспроизводимость при стабильных механических, внешних и инерционных условиях подчиняется закону квадратного корня в отношении измеренного времени. Например, чтобы получить повторяемость смещения оси x в течение 2,5 лет (возможно, более короткий профиль миссии для конечного продукта), используйте следующее уравнение:± 2 м g × √ (2,5 года / 10 лет) =± 1 млн g . На рис. 1 показан пример результата теста HTOL, равного 0 г . смещение дрейфа 32 устройств за 23 дня. На этом рисунке четко прослеживается закон квадратного корня. Также следует подчеркнуть, что каждая часть ведет себя по-разному - одни работают лучше, другие - из-за различий в процессе изготовления датчиков МЭМС.

Рис. 1. 500-часовая долговременная стабильность ADXL355. (Источник:Analog Devices)

Рекомендации по проектированию механической системы

Вооружившись знаниями из предыдущего обсуждения, становится ясно, что механические монтажные интерфейсы и конструкция корпуса будут способствовать общей производительности 3-осевого высокоточного датчика акселерометра MEMS, поскольку они будут влиять на физические нагрузки, распространяющиеся на датчик. Как правило, механический монтаж, корпус и датчик образуют систему второго (или более высокого) порядка; следовательно, его реакция варьируется от резонансной до чрезмерно демпфированной.

Системы механической поддержки имеют режимы, которые представляют эти системы второго порядка (определяемые резонансной частотой и добротностью). В большинстве случаев цель состоит в том, чтобы понять эти факторы и минимизировать их влияние на систему зондирования. Таким образом, следует выбирать геометрию любого корпуса, в который будет упакован датчик, а также все интерфейсы и материалы, чтобы избежать механического затухания (из-за чрезмерного демпфирования) или усиления (из-за резонанса) в пределах полосы пропускания приложения акселерометра. Детали таких конструктивных соображений выходят за рамки данной статьи; однако кратко перечислены некоторые практические моменты:

Печатная плата, монтаж и корпус

• Надежно прикрепите печатную плату к твердой подложке. Использование нескольких крепежных винтов в сочетании с клеем на задней стороне печатной платы обеспечивает наилучшую поддержку.
• Поместите датчик рядом с монтажным винтом или крепежом. Если геометрия печатной платы велика (несколько дюймов), используйте несколько крепежных винтов в середине платы, чтобы избежать низкочастотной вибрации печатной платы, которая будет соединяться с акселерометром и измеряться.
• Если печатные платы поддерживаются только механически канавкой / гребнем, используйте более толстую печатную плату (рекомендуется толщина более 2 мм). В случае печатных плат с большей геометрией увеличьте толщину, чтобы сохранить жесткость системы. Используйте анализ методом конечных элементов, например ANSYS или аналогичный, для получения оптимальной геометрии и толщины печатной платы для конкретной конструкции.
• Для таких приложений, как мониторинг состояния конструкций, где датчики измеряются в течение длительного периода времени, долговременная стабильность датчиков имеет решающее значение. Упаковка, печатная плата и клейкие материалы следует выбирать так, чтобы свести к минимуму деградацию или изменение механических свойств с течением времени, что может способствовать возникновению дополнительных нагрузок на датчик и, следовательно, смещений.
• Не делайте предположений о собственных частотах ограждения. Будет полезен расчет собственных форм колебаний в случае простых корпусов и анализ методом конечных элементов в случае более сложных конструкций корпуса.
• Было показано, что накопление напряжения в результате припайки акселерометра к плате вызывает сдвиг смещения до нескольких мг. Чтобы смягчить этот эффект, рекомендуется симметрия посадочного рисунка печатной платы, термопрокладок и проводящих путей через медную дорожку на печатной плате. Строго следуйте инструкциям по пайке, приведенным в паспорте акселерометра. Также было замечено, что в некоторых случаях отжиг припоя или термоциклирование перед любой калибровкой помогают уменьшить накопление напряжения и решить проблемы долгосрочной стабильности.

Компаунды для заливки

Компаунды для заливки широко используются для защиты электроники внутри корпуса. Если корпус датчика изготовлен из пластика, отформованного поверх пластика, такого как массив наземной решетки (LGA), использование заливочных масс крайне не рекомендуется из-за несоответствия их температурного коэффициента (TC) материалу корпуса, что приводит к давлению, оказываемому непосредственно на датчик, а затем смещению. . 3-осевой высокоточный акселерометр MEMS, который поставляется в герметичном керамическом корпусе, значительно защищает датчик от эффекта TC. Но заливочные компаунды по-прежнему могут способствовать накоплению напряжений на печатной плате в результате деградации материала с течением времени, потенциально вызывая деформацию датчика из-за небольших деформаций кремниевого кристалла. Обычно рекомендуется избегать заливки датчиков в приложениях, в которых требуется высокая стабильность во времени. Конформные покрытия с низким напряжением, такие как парилен C, могут обеспечить некоторую форму гидроизоляции вместо заливки. ⁸

Воздушный поток, теплопередача и тепловой баланс

Для достижения наилучших характеристик сенсора важно спроектировать, разместить и использовать сенсорную систему в условиях, когда стабильность температуры оптимизирована. Как показано в этой статье, даже небольшие изменения температуры могут привести к неожиданным результатам из-за дифференциальных термических напряжений на матрице датчика. Вот несколько советов:

• Датчик следует располагать на печатной плате так, чтобы градиенты температуры по датчику были минимальными. Например, линейные регуляторы могут выделять значительное количество тепла; следовательно, их близость к датчику может вызвать температурные градиенты на МЭМС, которые могут изменяться с течением времени в зависимости от выходного тока регулятора.
• По возможности, сенсорный модуль следует размещать в местах, удаленных от воздушных потоков (например, в системах отопления, вентиляции и кондиционирования), чтобы избежать частых колебаний температуры. Если это невозможно, полезна теплоизоляция снаружи или внутри упаковки, и ее можно достичь с помощью теплоизоляции. Обратите внимание, что необходимо учитывать теплопроводность и конвекцию.
• Рекомендуется выбирать тепловую массу корпуса так, чтобы он гасил тепловые колебания окружающей среды в приложениях, где тепловые изменения окружающей среды неизбежны.

Заключение

В этой статье показано, как можно снизить производительность высокоточного акселерометра MEMS без должного учета воздействия окружающей среды и механических воздействий. Благодаря целостным методам проектирования и сосредоточению внимания на системном уровне проницательные инженеры могут добиться превосходных характеристик своей сенсорной системы. Поскольку многие из нас испытывают в своей жизни беспрецедентные стрессы, полезно понимать, что, как и в случае с акселерометрами, нас убивает не стресс, а наша реакция на него!

Ссылки

• Крис Мерфи. «Выбор наиболее подходящего акселерометра MEM для вашего приложения - Часть 1.» Аналоговый диалог, Vol. 51, No. 4, октябрь 2017 г.
• Крис Мерфи. «Измерение наклона акселерометра при превышении температуры и при наличии вибрации». Analog Dialogue, август 2017 г.
• Оценочная система SDP-K1. Analog Devices, Inc.
• Mbed:Руководство пользователя SDP-K1. Analog Devices, Inc.
• Крепление для шарнирного рычага PanaVise. PanaVise.
• Мбед код. Analog Devices, Inc.
• Нагревательный / охлаждающий воздушный пистолет Weller 6966C. Веллер.
• Парилен. Википедия.