Выбирая наиболее подходящий акселерометр для вашего приложения: часть 1

Автор: Селезнев Владимир [email protected].

Публикация: 2025-03-03 20:20.

Последние изменения: 2025-03-03 20:20

Выбор наиболее подходящего акселерометра MEMS для вашего применения: часть 1

В первой части этой статьи обсуждаются ключевые параметры и функции, о которых должен знать разработчик и как они относятся к приложениям для наклона и стабилизации, что помогает дизайнеру выбрать наиболее подходящий акселерометр.

Акселерометры способны измерять ускорение, наклон, вибрацию или удар, и, как результат, используются в разнообразных приложениях от пригодных для носки фитнес-устройств до систем стабилизации промышленных платформ. Есть сотни частей на выбор со значительным диапазоном затрат и производительности. В первой части этой статьи обсуждаются ключевые параметры и функции, о которых должен знать разработчик и как они относятся к приложениям для наклона и стабилизации. Часть 2 будет посвящена носящим устройствам, мониторингу состояния (CBM) и приложениям IoT.

Последние емкостные акселерометры MEMS находят применение в приложениях, в которых традиционно доминируют пьезоэлектрические акселерометры и другие датчики. Такие приложения, как CBM, структурный мониторинг здоровья (SHM), мониторинг состояния здоровья (AHM), мониторинг жизненного сигнала (VSM) и беспроводные сенсорные сети IoT, являются областями, в которых датчики MEMS нового поколения предлагают решения. Однако, с таким количеством акселерометров и так много приложений, выбор правильного может легко запутаться.

Не существует отраслевого стандарта для определения того, к какой категории применяется акселерометр. Категории акселерометров обычно классифицируются и соответствующие приложения показаны в таблице 1. Показанные полоса пропускания и значения g- диапазона типичны для акселерометров, используемых в перечисленных конечных приложениях.

Таблица 1. Акселерометр и типовая область применения

Акселерометр	Основное приложение	Пропускная способность	g -Range
потребитель	движение, статическое ускорение	0 Гц	1 г
автомобильный	авария / стабильность	100 Гц	<200 г / 2 г
промышленные	стабильность / наклон платформы	От 5 Гц до 500 Гц	25 г
тактический	управление оружием / кораблем	<1 кГц	8 г
навигация	подводная лодка / судоходство	> 300 Гц	15 г

На рисунке 1 показан снимок диапазона MEMS-акселерометров и классифицируется каждый датчик на основе ключевых показателей производительности для конкретного приложения и уровня интеллекта / интеграции. Основное внимание в этой статье уделяется акселерометрам нового поколения, основанным на улучшенных структурах MEMS и обработке сигналов, а также методам упаковки мирового класса, обеспечивающим стабильность и шумовые характеристики, сравнимые с более дорогими нишевыми устройствами, потребляя меньше энергии. Эти атрибуты и другие критические характеристики акселерометра рассматриваются более подробно в следующих разделах, основанных на актуальности применения.

Рисунок 1. Область применения для выбора акселерометров Analog Devices MEMS

Наклонение или определение наклона

Ключевые критерии: стабильность смещения, смещение по температуре, низкий уровень шума, повторяемость, устранение вибрации, чувствительность к поперечной оси

Точное наклон или чувствительность наклона является требовательным применением для емкостных акселерометров MEMS, особенно в присутствии вибрации. Использование емкостных акселерометров MEMS для достижения 0, 1 ° точности наклона в динамических средах очень сложно - 1 ° очень достижимо. Для того, чтобы акселерометр эффективно измерял наклон или наклон, характеристики датчика и конечная прикладная среда должны быть хорошо поняты. Статические среды обеспечивают гораздо лучшие условия для измерения наклона и динамической среды, поскольку вибрация или удар могут испортить данные наклона и привести к значительным ошибкам в измерениях. Наиболее важными характеристиками для измерения наклона являются смещение температуры, гистерезис, низкий уровень шума, короткая / долгосрочная стабильность, повторяемость и хорошее устранение вибрации.

Наблюдаются такие ошибки, как точность смещения нуля, смещение смещения нуль-г из-за пайки, смещение смещения нулевой точки из-за выравнивания шкафа печатной платы, температура смещения нулевой точки, точность чувствительности и температура, нелинейность и поперечная чувствительность могут быть уменьшены посредством процессов калибровки после сборки. Другие погрешности, такие как гистерезис, смещение смещения нулевого значения по времени жизни, сдвиг чувствительности по времени жизни, сдвиг нулевой точки из-за влажности и изгиб и изгиб печатной платы из-за колебаний температуры во времени, не могут быть устранены при калибровке, иначе они требуют некоторого снижения уровня обслуживания на месте.

Диапазон акселерометров Analog Devices можно разделить на специальные части MEMS (ADXLxxx) и iSensor (ADIS16xxx). iSensor или интеллектуальные датчики имеют высокую степень интеграции (от 4 ° до 10 ° свободы) и программируемые детали, используемые в сложных приложениях в динамических условиях. Эти высокоинтегрированные решения plug-and-play включают полную заводскую калибровку, встроенную компенсацию и обработку сигналов, решая многие из описанных выше ошибок для обслуживания на месте и значительно снижая нагрузку на проектирование и проверку. Эта обширная заводская калибровка характеризует целую цепь сигналов датчика для чувствительности и смещения в заданном диапазоне температур, обычно от -40 ° C до + 85 ° C. В результате каждая часть iSensor имеет свои собственные уникальные формулы коррекции для получения точных измерений при установке. Для некоторых систем заводская калибровка устраняет необходимость калибровки на уровне системы и значительно упрощает ее для других.

Части iSensor специально предназначены для определенных приложений. Например, ADIS16210, показанный на рисунке 2, был разработан и специально разработан для приложений наклона и, как результат, может предлагать относительную точность <1 ° из коробки. В основном это связано с интегральной обработкой сигналов и калибровкой по конкретным устройствам для обеспечения оптимальной точности. iSensors рассматриваются далее в разделе стабилизации.

Рисунок 2. ADIS16210 прецизионный трехосный наклон

Архитектуры акселерометров последнего поколения, такие как ADXL355, более универсальны (контроль наклона, мониторинг состояния, структурное здоровье, приложения IMU / AHRS) и содержат менее специализированные, но все же многофункциональные интегрированные блоки, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. ADXL355 низкий уровень шума, низкий дрейф, маломощный, 3-осевой акселерометр MEMS

В следующем разделе сравнивается ADXL345, акселерометр общего назначения, с акселерометром нового поколения с низким уровнем шума, низким дрейфом и малой мощностью ADXL355, который идеально подходит для использования в широком диапазоне применений, таких как узлы датчиков и инклинометры IoT. В этом сравнении рассматриваются источники ошибок в приложении наклона и какие ошибки могут быть компенсированы или удалены. В таблице 2 приведена оценка эксплуатационных характеристик акселерометров ADXL345 потребительского класса и соответствующих ошибок наклона. При попытке достичь наилучшей точности наклона необходимо применять некоторую форму стабилизации температуры или компенсации. Для этого примера предполагается постоянная температура 25 ° C. Самые большие вкладчики ошибок, которые не могут быть полностью компенсированы, компенсируются по температуре, смещению смещения и шуму. Для снижения шума можно снизить пропускную способность, поскольку приложениям наклонности обычно требуются полосы пропускания ниже 1 кГц.

Таблица 2. Исходные данные об ошибках ADXL345

Параметр датчика	Представление	Состояние / Примечание	Типичная ошибка приложения g Tilt °
Шум	Ось X / Y 290 мкг / √ (Гц)	Полоса пропускания при 6, 25 Гц	0, 9 м / 0, 05 °
Смещение смещения	Отклонение Аллана	Ось X / Y кратковременная (пример: 10 дней)	1 м г / 0, 057 °
Начальное смещение	35 мг	Без компенсации ИЛИ С компенсацией	35 м г / 2 ° ИЛИ 0 м г / 0 °
ошибка	Без компенсации	Полоса частот 6, 25 Гц	36, 9 м / 2, 1
ошибка	С компенсацией	Полоса частот 6, 25 Гц	1, 0 м г / 0, 1 °

В таблице 3 показаны те же критерии для ADXL355. Краткосрочные значения смещения оценивались по корневым диаграммам дисперсии Allan в техническом паспорте ADXL355. При 25 ° C скомпенсированная точность наклона оценивается как 0, 1 ° для универсального ADXL345. Для промышленного класса ADXL355 расчетная точность наклона составляет 0, 005 °. Сравнивая ADXL345 и ADXL355, можно видеть, что большие ошибки, такие как шум, значительно уменьшились с 0, 05 до 0, 0045 ° и смещение смещения от 0, 057 до 0, 00057 ° соответственно. Это показывает огромный скачок в производительности емкостного акселерометра MEMS с точки зрения шума и смещения дрейфа, что позволяет значительно повысить уровень точности наклона в динамических условиях.

Таблица 3. Исходные данные об ошибках ADXL355

Параметр датчика	Представление	Состояние / Примечание	Типичная ошибка приложения g Tilt °
Шум	Ось X / Y 290 мкг / √ (Гц	Полоса пропускания при 6, 25 Гц	78 мкг / 0, 0045 °
Смещение смещения	Отклонение Аллана	Ось X / Y кратковременная (пример: 10 дней)	<10 мкг / 0, 00057 °
Начальное смещение	25 мг	Без компенсации ИЛИ С компенсацией	25 м / 1, 43 ° или 0 м г / 0 °
Общая ошибка	Без компенсации	Полоса частот 6, 25 Гц	25 м / 1, 43 °
Общая ошибка	С компенсацией	Полоса частот 6, 25 Гц	88 мкг / 0, 005 °

Важность выбора акселерометра более высокого класса имеет решающее значение для достижения требуемой производительности, особенно если ваше приложение требует менее 1 ° точности наклона. Точность применения может варьироваться в зависимости от условий применения (большие колебания температуры, вибрация) и выбора датчика (потребительский класс по сравнению с промышленным или тактическим классом). В этом случае ADXL345 потребует значительных усилий по компенсации и калибровке для достижения погрешности менее 1 °, что добавит к общей производительности и стоимости системы. В зависимости от величины вибраций в конечной среде и температурном диапазоне это может оказаться невозможным. При температуре от 25 ° C до 85 ° C дрейф смещения темпа составляет 1, 375 °, что уже превышает требование менее 1 ° точности наклона:

Для ADXL355 максимальный смещение смещения темпко от 25 ° C до 85 ° C составляет 0, 5 °.

Повторяемость ADXL354 и ADXL355 (± 3, 5 мг / 0, 2 ° для X и Y, ± 9 мг / 0, 5 ° для Z) прогнозируется на 10 лет жизни и включает в себя сдвиги из-за высокотемпературного срока службы (HTOL) (TA = 150 ° C, VSUPPLY = 3, 6 В и 1000 часов), циклирование температуры (от -55 ° C до + 125 ° C и 1000 циклов), скорость случайного блуждания, широкополосный шум и температурный гистерезис. Обеспечивая возможность повторного измерения наклона при любых условиях, эти новые акселерометры обеспечивают минимальную ошибку наклона без обширной калибровки в суровых условиях, а также минимизируют необходимость калибровки после развертывания. Акселерометры ADXL354 и ADXL355 обеспечивают гарантированную температурную стабильность с нулевыми коэффициентами смещения 0, 15 мг / ° C (максимум). Устойчивость минимизирует ресурсы и затраты, связанные с калибровкой и тестированием, что позволяет достичь большей производительности для OEM-производителей устройств. Кроме того, герметичный пакет помогает гарантировать, что конечный продукт соответствует его характеристикам повторяемости и стабильности после того, как он покинет завод.

Обычно повторяемость и невосприимчивость к ошибкам выпрямления вибрации (VRE) не показаны на листе данных из-за потенциального индикатора более низкой производительности. Например, ADXL345 является универсальным акселерометром, ориентированным на потребительские приложения, где VRE не является ключевым фактором для дизайнеров. Однако в более сложных приложениях, таких как инерциальная навигация, приложения наклона или особые среды, богатые вибрацией, невосприимчивость к VRE, вероятно, будет главной проблемой для дизайнера и, следовательно, его включение в данные ADXL354 / ADXL355 и ADXL356 / ADXL357 листы.

VRE, как показано в таблице 4, представляет собой ошибку смещения, введенную, когда акселерометры подвергаются широкополосной вибрации. Когда акселерометр подвергается вибрациям, VRE вносит существенную ошибку при измерениях наклона по сравнению с смещением 0 градусов по температуре и шуму. Это одна из основных причин, по которой она не учитывает данные, поскольку она может очень легко омрачить другие ключевые спецификации.

VRE - это отклик акселерометра на колебания переменного тока, которые выпрямляются до постоянного тока. Эти выпрямленные колебания постоянного тока могут сдвигать смещение акселерометра, что приводит к значительным ошибкам, особенно в приложениях наклона, где представляющим интерес сигнал является выход постоянного тока. Любое небольшое изменение смещения постоянного тока можно интерпретировать как изменение наклона и привести к ошибкам на системном уровне.

Таблица 4. Ошибки, показанные в градусах наклона

Часть	Maximun Tilt Error 0 g Смещение против температуры (° / ° C)	Плотность шума (° / √ (HZ))	Регулировка вибрации (° / г 2 среднеквадратичного значения)
ADXL345	0, 0085	0, 0011	0, 023 ¹
ADXL355	0, 0085	0, 0014	0, 023 ¹

(Диапазон ¹ ± 2 г, с ориентацией 1 г, смещение из-за 2, 5 г среднеквадратичной вибрации)

VRE может быть вызвано различными резонансами и фильтрами в акселерометре, в данном случае ADXL355, из-за того, что VRE имеет сильную зависимость от частоты. Вибрации усиливаются этими резонансами в разном, равном Q-факторе резонанса, и будут затухать вибрации на более высоких частотах из-за 2-го порядка двухполюсного отклика резонатора. Чем больше резонанс Q-фактора датчика, тем больше VRE из-за большего усиления вибраций. Увеличенная ширина полосы измерения приводит к интеграции высокочастотных внутриполосных колебаний, что приводит к увеличению VRE, как показано на рисунке 4. Многие проблемы, связанные с вибрацией, можно избежать, выбирая подходящую полосу пропускания для акселерометра для отклонения высокочастотных колебаний. ¹

^{Рисунок 4. Тест ADXL355 VRE с разной пропускной способностью.}

Для измерений статического наклона обычно требуются малые g-акселерометры от ± 1 г до ± 2 г с полосой пропускания менее 1, 5 кГц. Аналоговый выход ADXL354 и цифровой выход ADXL355 имеют низкую плотность шума (20 мкгц и 25 мкгц Гц соответственно), низкий 0 д смещение смещения, маломощные, 3-осевые акселерометры со встроенными датчиками температуры и выбираемые диапазоны измерений, как показано в Таблице 5.

Таблица 5. Диапазоны измерений ADXL354 / ADXL355 / ADXL356 / ADXL357

Часть	Диапазоны измерений (г)	Полоса пропускания (кГц)
ADXL354B	± 2, ± 4	1, 5
ADXL354C	± 2, ± 8	1, 5
ADXL355B	± 2, ± 4, ± 8	1
ADXL356B	± 10, ± 20	1, 5
ADXL356C	± 10, ± 40	1, 5
ADXL357B	± 10, 24, ± 20, 48, ± 40, 96	1

ADXL354 / ADXL355 и ADXL356 / ADXL357 поставляются в герметичной упаковке, что обеспечивает отличную долговременную стабильность. Повышение производительности благодаря пакету обычно масштабируется, как показано на рисунке 5. Пакет часто пропускается с точки зрения того, что производитель может сделать, чтобы добавить дополнительную производительность в отношении стабильности и дрейфа. Это было ключевым направлением работы Analog Devices, которое можно увидеть в широком спектре типов пакетов датчиков, которые мы предлагаем, чтобы соответствовать различным областям применения.

Высокая температура и динамическая среда

До появления акселерометров, рассчитанных на работу с высокой температурой или жесткой окружающей средой, некоторые дизайнеры вынуждены были использовать стандартные температурные ИС, значительно превышающие лимиты технических характеристик. Это означает, что конечный пользователь берет на себя ответственность и риск квалифицировать компонент при повышенных температурах, что является дорогостоящим и трудоемким. Известно, что герметичные герметичные упаковки являются надежными при повышенных температурах и обеспечивают защиту от влаги и загрязнений, которые вызывают коррозию. Analog Devices предлагает ряд герметично закрытых деталей, обеспечивающих повышенную стабильность и высокую производительность.

Analog Devices также провела значительную работу по изучению производительности пластиковых упаковок при повышенных температурах, в частности, свинцовой раме и способностях, способных выполнять высокотемпературные процессы пайки и обеспечивающих надежное крепление для высоких ударов и вибрации. В результате Analog Devices предлагает 18 акселерометров с заданным диапазоном температур от -40 ° C до + 125 ° C, включая ADXL206, ADXL354 / ADXL355 / ADXL356 / ADXL357, ADXL1001 / ADXL1002, ADIS16227 / ADIS16228 и ADIS16209. Большинство конкурентов не предлагают емкостные акселерометры MEMS, способные работать от -40 ° C до + 125 ° C или в суровых условиях окружающей среды, таких как тяжелое промышленное оборудование и бурение и разведка скважин.

Рисунок 5. Примеры повышения производительности благодаря передовым методам упаковки и калибровке

Выполнение измерений наклона в очень суровых условиях с температурой выше 125 ° C является чрезвычайно сложной задачей. ADXL206 представляет собой высокоточный (с точностью ± 0, 06 °), маломощный, полный двухосевой акселерометр MEMS для использования в условиях высокой температуры и суровых условий, таких как бурение и разведка скважин. Эта деталь поставляется в пакете с боковой пайкой размером 13 мм × 8 мм × 2 мм с двойным потоком, который обеспечивает диапазон температур окружающей среды от -40 ° C до + 175 ° C, с уменьшением производительности выше 175 ° C с 100% восстановимостью.

Измерения наклона в динамических средах, где присутствует вибрация, например, сельскохозяйственное оборудование или дроны, требуют более высокие акселерометры g-диапазона, такие как ADXL356 / ADXL357. Измерения акселерометра в ограниченном диапазоне g могут привести к отсечению, что приводит к добавлению дополнительного смещения к выходу. Обрезание может быть связано с тем, что чувствительная ось находится в 1 г поля тяжести или из-за ударов с быстрым временем нарастания и медленным распадом. При более высоком g-диапазоне сокращение акселерометра уменьшается, что уменьшает смещение, что приводит к лучшей точности наклона в динамических приложениях.

На рисунке 6 показано ограниченное измерение g-диапазона от оси Z ADXL356, причем 1 г уже присутствует в этом диапазоне измерений. На рисунке 7 показаны те же измерения, но с диапазоном g, простирающимся от ± 10 г до ± 40 г. Можно ясно видеть, что смещение из-за отсечения значительно уменьшается за счет расширения g-диапазона акселерометра.

ADXL354 / ADXL355 и ADXL356 / ADXL357 обеспечивают превосходную вибрацию, долговременную повторяемость и низкую шумовую характеристику в небольшом форм-факторе и идеально подходят для измерения наклона / наклона как в статической, так и в динамической среде.

Рисунок 6. ADXL356 VRE, смещение по оси Z от 1 g, ± 10 g-range, ориентация по оси Z = 1 g

Рисунок 7. ADXL356 VRE, смещение по оси Z от 1 g, ± 40 g-range, ориентация по оси Z = 1 g

стабилизация

Ключевые критерии: плотность шума, скорость случайного блуждания, стабильность смещения в рабочем состоянии, повторяемость повторяемости и пропускная способность

Обнаружение и понимание движения может повысить ценность многих приложений. Значение возникает из-за использования движения, которое испытывает система, и перевода ее в улучшенную производительность (сокращение времени отклика, более высокая точность, более высокая скорость работы), повышенная безопасность или надежность (остановка системы в опасных ситуациях) или другие функции добавленной стоимости, Существует большой класс приложений для стабилизации, которые требуют сочетания гироскопов с акселерометрами (слияние датчиков), как показано на рисунке 8, из-за сложности движения, например, в оборудовании для наблюдения на базе БПЛА и системах антенного наведения, используемых на судах, ²

Рисунок 8. Шесть степеней свободы ИДУ

Шесть степеней свободы ИДУ используют несколько датчиков, чтобы компенсировать слабые стороны друг друга. То, что может показаться простым инерционным движением на одной или двух осях, может фактически потребовать слияния датчика акселерометра и гироскопа, чтобы компенсировать вибрацию, гравитацию и другие влияния, которые один только акселерометр или гироскоп не смогли бы точно измерить. Данные акселерометра состоят из компонента силы тяжести и ускорения движения. Они не могут быть разделены, но гироскоп можно использовать, чтобы помочь удалить компонент силы тяжести из выхода акселерометра. Ошибка, связанная с гравитационной составляющей данных акселерометра, может быстро стать большой после необходимого процесса интеграции для определения положения от ускорения. Из-за ошибки накопления одного гироскопа недостаточно для определения положения. Гироскоп не чувствуют тяжести, поэтому они могут быть использованы в качестве датчика поддержки вместе с акселерометром.

В приложениях стабилизации датчик MEMS должен обеспечивать точные измерения ориентации платформ, особенно когда он находится в движении. Блок-схема типичной платформы для платформы стабилизации платформы, использующая сервомоторы для коррекции углового движения, показана на рисунке 9. Контроллер обратной связи / сервомотора преобразует данные датчиков ориентации в корректирующие сигналы управления сервомоторами.

Рисунок 9. Базовая система стабилизации платформы. ³

Конечное приложение будет определять требуемый уровень точности, а качество выбранного датчика зависит от того, будет ли потребительский или промышленный класс определять, достижимо ли это или нет. Важно различать устройства потребительского класса и устройства промышленного класса, и это иногда может потребовать тщательного рассмотрения, поскольку различия могут быть незначительными. В таблице 6 показаны основные различия между потребительским классом и средним акселерометром промышленного уровня, интегрированным в ИДУ.

Таблица 6. Промышленные MEMS-устройства предлагают обширную характеристику всех известных потенциальных источников ошибок и достигают большего, чем порядок точности увеличения точности и потребления2

Параметры акселерометра	Типичная промышленная спецификация	Улучшение над обычным потребительским устройством
Динамический диапазон	До 40 г	3 ×
Плотность шума	25 мкг / √ Гц	10 ×
Скорость случайного блуждания	0, 03 м / с / √ Гц	10 ×
Повторяемость повторяемости	10 мкг	10 ×
Повторяемость смещения	25 мг	100 ×
Полоса частот -3 дБ	500 Гц	2 ×

В некоторых случаях, когда условия являются доброкачественными и неточные данные приемлемы, устройство с низкой точностью может обеспечить адекватную производительность. Тем не менее, требования к датчику в динамических условиях быстро растут, и более низкие прецизионные детали сильно страдают из-за невозможности уменьшить вибрационные эффекты от реальных измерений или температурных эффектов, поэтому они стараются измерять точность наведения от 3 ° до 5 °. Большинство недорогих потребительских устройств не предоставляют спецификации для таких параметров, как выпрямление колебаний, угловое случайное перемещение и другие параметры, которые на самом деле могут быть самыми большими источниками ошибок в промышленных приложениях.

Чтобы измерить от 1 ° до 0, 1 ° точности наведения в динамических средах, выбор части дизайнера должен фокусироваться на способности датчиков отклонять отклонения от смещения по температуре и вибрации. Хотя фильтрация сенсора и алгоритмы (слияние датчиков) являются критическим элементом в достижении улучшенной производительности, они не способны устранить разрыв в производительности от потребительского класса до датчика промышленного класса. Новый класс промышленных ИДУ Analog Devices обеспечивает производительность, близкую к тому, что использовалось в системах управления ракетным оружием предыдущего поколения. Такие детали, как ADIS1646x и объявленный ADIS1647x, могут обеспечить точное измерение движения в стандартных и мини-модуляторах IMU, открывая то, что раньше было областью применения ниши.

Во второй части этой статьи мы продолжим изучать основные характеристики характеристик акселерометров MEMS и как они относятся к областям приложений, таким как носимые устройства, мониторинг состояния и IoT, включая структурный мониторинг состояния здоровья и мониторинг состояния здоровья.