使用ADIS16209傾角儀進(jìn)行傾斜測量的精度和可重復(fù)性

Ian Beavers

從理論上講，這種技術(shù)可以通過使用多個傳感器創(chuàng)建平均效應(yīng)來幫助提高測斜儀測量的精度性能。潛在好處的原因是可以平均多個傳感器之間的不相關(guān)誤差源和隨機(jī)噪聲。這降低了聚合傳感器數(shù)據(jù)的整體本底噪聲，并允許目標(biāo)聚合信號相對于噪聲的功率更大。雖然MEMS設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)推出了世界一流的傳感器，但系統(tǒng)工程師將繼續(xù)尋找最后一塊增量性能。但是，警告是有序的，因?yàn)檫@不是絕對的情況，并且必須考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的某些領(lǐng)域。

兩個測斜儀傳感器的輸出可以使用微控制器內(nèi)的后端數(shù)字處理進(jìn)行求和和平均。測斜儀的主要標(biāo)題規(guī)格是傳感器傾斜到水平面的相對精度。通過組合信號輸出，噪聲密度降低，類似于2×過采樣條件。同樣，將四個測斜儀的信號輸出組合并對其進(jìn)行平均可以產(chǎn)生 4× 的改進(jìn)方案。在理想情況下，使用四個平行傾角儀理論上可以將0.1°的精度降低到0.025°。

測斜儀之間微妙的內(nèi)部非線性失配將表現(xiàn)出獨(dú)特的傳遞曲線。雖然某些非線性由于架構(gòu)而相似，但其他非線性由于部件之間的差異而有所不同。這些將表現(xiàn)為整體噪聲源以及一般隨機(jī)傳感器噪聲。我們可以將這些歸為一類，稱為噪聲。一般來說，噪聲主要與彼此不相關(guān)。使用多傳感器系統(tǒng)方法的主要好處是平均這種白色隨機(jī)噪聲。相反，當(dāng)相位和頻率相關(guān)的不需要的信號相加時(shí)，它們的幅度將相加，對并行傳感器方法沒有任何好處。

當(dāng)兩個不相關(guān)的信號（如白噪聲）相加時(shí)，它們在數(shù)學(xué)上組合為和方根（RSS）。這導(dǎo)致幅度增加一倍

對于兩個相等的振幅。

如果Vnoise_rms = 一個傳感器輸入端的噪聲，則兩個通道上的平均噪聲為：

通過添加相同相關(guān)信號的兩個相同實(shí)例并求平均值，功率將幾乎相同（2×相同信號的加法除以2），隨機(jī)噪聲將降低信號功率的一半。這會使整體平均信噪比（SNR）的3 dB信號功率理想增加。任何相互排斥的非線性或噪聲僅受其中一個并行傳感器的影響，而另一個傳感器不會呈現(xiàn)給另一個傳感器，這將降低部分全部優(yōu)勢。

然而，并行傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)有幾個細(xì)節(jié)可能會阻止精度降低2×或4×的全部好處。首先，測斜儀需要受到設(shè)備比較軸上相同信號的同等影響。印刷電路板上的空間差異可能會通過每個測斜儀產(chǎn)生不同的觀察結(jié)果。由于系統(tǒng)級影響，例如PCB厚度變化和焊接量公差，可能存在獨(dú)特的偏移。其次，傳感器之間的平行軸對齊應(yīng)匹配。整個電路板裝配中的標(biāo)準(zhǔn)方差將具有需要考慮的放置和θ公差。最后，零件間軸對準(zhǔn)誤差和非線性不匹配也會影響最佳設(shè)計(jì)和裝配。該指標(biāo)確定 x 軸和 y 軸彼此 90° 的垂直程度。傳感器的數(shù)據(jù)表概述了這些規(guī)格。

圖1.對于ADIS16209等雙軸傾角計(jì)，x軸和y軸對準(zhǔn)的相對放置角精度將影響多傳感器并行平均系統(tǒng)的全部優(yōu)勢。對于三軸加速度計(jì)系統(tǒng)，平行設(shè)備相對于 x/y 平面的平坦度或傾斜度將影響多個傳感器之間的 z 軸對齊。

在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，任何已知的裝配差異都應(yīng)進(jìn)行水平校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)最大的并行效益。例如，測得的偏移偏置誤差可以歸零，并在測斜儀上調(diào)整零點(diǎn)以參考已知位置。ADIS16209提供自動零點(diǎn)選項(xiàng)，作為克服這些失調(diào)因素的方法。

審核編輯：郭婷