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MEMS加速計校準提升工業(yè)應用中的精度
作者：
時(shí)間：2013-11-07
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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由于要求綜合誤差小于1%，我們可以快速回顧一下商用的MEMS傳感器的指標。例如，一款領(lǐng)先加速計應具有如下指標：
靈敏度：+950mV/g到+1050mV/g，等同于5%
偏移：30mg(典型值)，相當于3%(1g系統)
100mg(最大值)，相當于10%(1g系統)
本例中，校準過(guò)程中必須首要考慮偏移和靈敏度，因為這兩者都超出了1%的綜合誤差目標。
用于低g加速計的一個(gè)可靠的校準源是重力。使用重力的最簡(jiǎn)單方法是通過(guò)采用IEEE-STD-1293-1998中所給出的行業(yè)標準跌落測試。該跌落測試中，將一個(gè)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(mǎn)刻度量程小于20g的加速計的跌落測試，因為所加的校準激勵等于或大于滿(mǎn)量程的5%。在該量程之外，線(xiàn)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。為了校準，滿(mǎn)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(xiàn)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90°，180°和270°，記錄每點(diǎn)的X軸輸出，故對應四個(gè)測量位置。 
圖4：四點(diǎn)跌落數據輸出
由于DUT被旋轉，X軸的傳感器輸出將是傾斜角的正弦函數，如圖4所示。實(shí)際曲線(xiàn)和理想曲線(xiàn)之差是由于加速計的偏移和靈敏度誤差所導致。通過(guò)對每個(gè)90°旋轉增量上的數據進(jìn)行分析，這些行為可以被特性化并隔離出來(lái)。通過(guò)對0°和180°點(diǎn)上取平均可以計算出總的正弦曲線(xiàn)的偏移量。在從90°的數據點(diǎn)上減去270°點(diǎn)上的數據，即可得到重力所提供的1g激勵的加速計輸出的測量值。 
這些關(guān)系的基礎是0°，90°，180°，以及270°位置的精確對準。還取決于十足的1g激勵的豎直方向上的精確對準。
由于追求“完美的”測量靈敏度既不實(shí)際也無(wú)法承受得起，而重要的是了解對每一個(gè)潛在誤差(校準系統自身引入)的靈敏度如何。確定每一個(gè)誤差的影響將會(huì )有助于降低違反關(guān)鍵性能準則的風(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： 
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(gè)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(gè)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： 
如果靈敏度精度目標要求的話(huà)，可以將計算出的對齊誤差代回上面的誤差方程，并用來(lái)量化校準因子。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(lèi)型與計算
相對對齊誤差：該誤差被定義為每一個(gè)測量步進(jìn)間與理想的90°步進(jìn)值之間的偏差。偏移校準將對該誤差有較高的靈敏度?？梢岳孟铝嘘P(guān)系式來(lái)計算有對齊誤差引入的偏移誤差： 
對應于1%的偏移精度目標，或者說(shuō)是1g量程應用中的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(shuō)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來(lái)說(shuō)，相對角度靈敏度則要求嚴格的位置控制。
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。如果旋轉設備完全垂直，則說(shuō)明旋轉軸是水平的。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(lèi)似。
這里提醒要注意重力加速度變化，因為1g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(zhù)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(yáng)重力波動(dòng)以及附近的超大質(zhì)量的影響。
機械振動(dòng)：任何形式的振動(dòng)都可以轉換成為線(xiàn)形加速度，并為校準引入誤差。采用花崗巖石塊或空氣隔離的桌面結構的機械隔離，將有助于降低誤差，也可以采用數據濾波來(lái)消除振動(dòng)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(gè)最重要的因素是電源電壓和溫度。在預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(xiàn)性逼近方案要求在每個(gè)參數的極限位置(最小和最大)上采集四點(diǎn)跌落數據。根據精度要求，這些數據可以被用來(lái)外推增量校正因數。如果發(fā)現非線(xiàn)性行為，可以增加更多的數據點(diǎn)，同時(shí)增加曲線(xiàn)擬合的階數。
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