Optimaliseren van uiterst nauwkeurige kantel-/hoekdetectie:basisprestaties bepalen

In deel één van deze serie hebben we de interne structuur van een 3-assige MEMS-versnellingsmeter met hoge precisie beoordeeld. In dit tweede artikel zullen we bekijken hoe we een goede startdataset kunnen verwerven om baselineprestaties vast te stellen en te valideren wat voor soort ruisniveaus we kunnen verwachten in volgende data-analyses.

Hoewel de analoge uitgang van een accelerometer kan worden aangesloten op elk analoog data-acquisitiesysteem voor data-analyse, leveren de fabrikanten vaak evaluatieborden die zijn geoptimaliseerd om rechtstreeks in klantsystemen te worden geplaatst voor gemakkelijke prototyping met bestaande embedded systemen. Voor illustratieve doeleinden voor dit artikel werd het evaluatiebord EVAL-ADXL35x met kleine vormfactor gebruikt. Voor datalogging en -analyse werd de EVAL-ADXL35x aangesloten op een SDP-K1-microcontrollerkaart en geprogrammeerd met behulp van de Mbed-omgeving. Mbed is een open-source en gratis ontwikkelomgeving voor op ARM gebaseerde microcontrollerborden. Het heeft een online compiler en laat ontwikkelaars snel aan de slag gaan. Het SDP-K1-bord wordt, wanneer het is aangesloten op de pc, weergegeven als een externe schijf. Om het bord te programmeren, sleept u eenvoudig het binaire bestand dat door de compiler is gegenereerd, naar de SDP-K1-drive. ^{3, 4}

Zodra het Mbed-systeem gegevens logt via de UART, hebben we nu een basistestomgeving voor het uitproberen van accelerometer-experimenten en het streamen van de uitvoer naar een eenvoudige terminal voor datalogging en verdere analyse. Het is belangrijk op te merken dat, ongeacht de uitvoergegevenssnelheid van de accelerometer, de Mbed-code alleen registers bij 2 Hz logt. Sneller inloggen dan dit is mogelijk in Mbed, maar valt buiten het bestek van dit artikel.

Een goede startdataset helpt om de basisprestaties vast te stellen en te valideren welk soort geluidsniveaus we kunnen verwachten in de meeste van onze daaropvolgende data-analyses. Een PanaVise gelede bankschroef gebruiken ⁵ die een zuignapbevestiging heeft, zorgt voor een redelijk stabiel werkoppervlak in een bankopstelling omdat het aan het glazen werkoppervlak blijft kleven. Het ADXL355-bord (van de zijkant vastgehouden) is in deze configuratie net zo stabiel als de laboratoriumtafel. Meer gevorderde power-gebruikers merken misschien op dat deze bankschroefbevestiging enig risico op kantelbewegingen zou hebben, maar het is een eenvoudige en kosteneffectieve methode die het mogelijk maakt om de oriëntatie met betrekking tot de zwaartekracht te veranderen. Met het ADXL355-bord in de houder geplaatst, zoals weergegeven in afbeelding 1, wordt een set gegevens gedurende 60 seconden vastgelegd voor een eerste analyse.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Afbeelding 2. Testopstelling met een EVAL-ADXL35x, SDP-K1 en PanaVise-montage. (Bron:Analoge apparaten)

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 2. ADXL355-gegevens zonder laagdoorlaatfilter (register 0x28=0x00), genomen gedurende 1 minuut. (Bron:Analoge apparaten)

Het nemen van de 120 datapunten en het meten van een standaarddeviatie toont ruis in het bereik van 800 μg tot 1,1 mg . Uit de typische prestatiespecificaties van ADXL355 in het gegevensblad zien we de ruisdichtheid vermeld als 25 µg /√Hz. Met standaard low-pass filter (LPF) instellingen heeft de accelerometer een bandbreedte van ongeveer 1000 Hz. Ruis zou dan naar verwachting 25 µg . zijn /√Hz × √1000 Hz =791 µg rms, uitgaande van een bakstenen muurfilter. Deze eerste dataset doorstaat de eerste snuifproef. Om nauwkeurig te zijn, moet de conversie van spectrale ruisdichtheid naar rms-ruis een factor hebben om het feit weer te geven dat de digitale LPF geen oneindige roll-off heeft (dat wil zeggen, een bakstenen muurfilter). Sommigen gebruiken een 1,6×-coëfficiënt voor een eenvoudige RC enkelpolige 20 dB/decennium roll-off, maar het ADXL355 digitale laagdoorlaatfilter is geen enkelpolige RC-filter. Hoe dan ook, uitgaande van een coëfficiënt tussen 1 en 1,6 komen we in ieder geval in de juiste benadering voor de geluidsverwachtingen.

Voor veel precisiedetectietoepassingen is 1000 Hz een veel te grote bandbreedte voor de signalen die worden gemeten. Om de handelsruimte tussen bandbreedte en ruis te helpen optimaliseren, heeft de ADXL355 een ingebouwd digitaal laagdoorlaatfilter. Voor de volgende test stellen we de LPF in op 4 Hz, wat een netto ruisonderdrukking zou moeten hebben met een factor √1000/√4 ≈ 16. Dit gebeurt eenvoudig in de Mbed-omgeving met behulp van de eenvoudige structuur die wordt getoond in figuur 3 , terwijl de gegevens worden weergegeven in Afbeelding 4. ⁶ Na het filteren viel de ruis aantoonbaar terug zoals verwacht. Dit wordt weergegeven in Tabel 1 hieronder.

Figuur 3. Mbed-code voor het configureren van een register. (Bron:Analoge apparaten)

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 4. ADXL355-gegevens met de LPF ingesteld op 4 Hz (register 0x28=0x08), genomen gedurende 1 minuut. (Bron:Analoge apparaten)

Tabel 1. Verwachte en gemeten ruis van de ADXL355 (bron:analoge apparaten)

RuisXYZTheoretisch
(μg)Gemeten
(μg)Theoretisch
(μg)Gemeten
(μg)Theoretisch
(μg)Gemeten
(μg)Geen filter79192379111397918054 Hz-filter5058501855063

Tabel 1 laat zien dat de ruis in de y-as met de huidige opstelling hoger is dan door de theorie wordt verwacht. Na onderzoek van de waarschijnlijke oorzaken, merkten we dat extra trillingen van de ventilator van laptops en andere laboratoriumapparatuur zich waarschijnlijk in de y-as manifesteren als ruis. Om dit te testen, werd de bankschroef gedraaid om de x-as in de positie te plaatsen waar de y-as was voor deze test en de hogere ruisas bewoog zich naar de x-as. Het geluidsverschil tussen de assen blijkt dan instrumentatieruis te zijn en niet een intrinsiek verschil in de geluidsniveaus over de assen van de versnellingsmeter. Dit type testen is in feite de "Hello World"-test voor een geluidsarme accelerometer, dus het geeft vertrouwen bij verder testen.

Om een ​​idee te krijgen hoeveel effect een thermische schok zou hebben op de ADXL355, hebben we een heteluchtpistool genomen ⁷ en zet hem in de koelere luchtmodus (praktisch een paar graden boven kamertemperatuur) om thermische spanningen op de accelerometer uit te oefenen. De temperatuur wordt ook geregistreerd met behulp van de ingebouwde temperatuursensor van de ADXL355. Het experiment gebruikte de bankschroef om de ADXL355 verticaal te plaatsen, zodat een luchtpistool lucht aan de bovenkant van het pakket kan blazen. De verwachte uitkomst van dit experiment is dat de temperatuurcoëfficiënt van de offset zou verschijnen als de matrijs opwarmt, maar eventuele differentiële thermische spanningen zouden vrijwel onmiddellijk verschijnen. Met andere woorden, als de individuele detectie-as gevoelig is voor differentiële thermische spanning, verwacht men een bult in de output van de accelerometer. Door de gemiddelde waarde uit de gegevens te verwijderen toen het stil was, kunnen alle drie de assen tegelijkertijd gemakkelijk worden vergeleken. De resultaten worden getoond in figuur 5.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 5. ADXL355 thermische schokgegevens met behulp van een heteluchtpistool op koele stand. (Bron:Analoge apparaten)

Zoals te zien is in figuur 5, blies het luchtpistool iets warmere lucht op de keramische verpakking, die hermetisch is afgesloten voor de omgeving. Dit resulteert in een ~1500 μg verschuiving in de z-as, een veel kleinere hoeveelheid verschuiving in de y-as (misschien ~100 µg ), en vrijwel geen verschuiving in de x-as. Hoewel veel producten van eindgebruikers een behuizing bovenop de printplaat hebben die differentiële thermische spanningen verdeelt, is het belangrijk om rekening te houden met dit soort snelle tijdelijke spanningen, die zich kunnen manifesteren in een offsetfout, zoals te zien is in deze eenvoudige test.

Afbeelding 6 toont het effect van de tegenovergestelde polariteit als het heteluchtpistool wordt uitgeschakeld.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 6. ADXL355 thermische schok met een luchtpistool dat uitschakelt op t =240 seconden. (Bron:Analoge apparaten)

Dit effect is nog meer uitgesproken wanneer het luchtpistool in de verwarmde stand wordt gebruikt; dat wil zeggen, wanneer de temperatuurschok groter is. De output van het Weller luchtpistool is in de orde van ~400°C, dus het is belangrijk om het op afstand toe te passen om schade door oververhitting of thermische schokken te voorkomen. Bij deze test werd de hete lucht op ongeveer 15 cm van de ADXL355 geblazen, wat resulteerde in een bijna onmiddellijke temperatuurschok van ~40°C, zoals weergegeven in figuur 7.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 7. ADXL355 thermische schok met een heteluchtpistool. (Bron:Analoge apparaten)

Ook al is de hoeveelheid thermische schokken behoorlijk sterk, het is toch opvallend hoeveel sneller de z-as reageert in dit experiment dan de x- en y-as. Met behulp van de temperatuurcoëfficiënt van het gegevensblad en met een temperatuurverschuiving van 40 ° C, zou men ongeveer 100 µg verwachten /°C × 40 °C =4 mg verschuiving, die de x- en y-assen uiteindelijk beginnen te vertonen. Echter, met een bijna onmiddellijke 10 mg verschuiving in de z-as laat zien dat dit een ander effect is dat wordt aangepakt dan een verschuiving als gevolg van temperatuur. Dit is het resultaat van differentiële thermische spanning/rek op de sensor en wordt het duidelijkst gezien in de z-as omdat deze sensor gevoeliger is voor differentiële spanningen dan de x en y, zoals eerder in dit artikel beschreven.

De typische temperatuurcoëfficiënt van de offset van de ADXL355 (offset tempco) wordt gespecificeerd op ±100 µg /°C in het gegevensblad. Het is belangrijk om de hier gebruikte testmethodologie te begrijpen, aangezien de offset-tempco wordt gemeten met de versnellingsmeters in een oven. De oven wordt langzaam door het temperatuurbereik van de sensor gestuurd en de hellingen van de offsets worden gemeten. Een typisch voorbeeld wordt getoond in figuur 8.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 8. Karakterisering van de temperatuur in de oven van de ADXL355. (Bron:Analoge apparaten)

Er zijn twee effecten in het spel in deze plot. Een daarvan is de offset-tempco zoals gekenmerkt en gedocumenteerd in het gegevensblad. Dit kan worden geïnterpreteerd als de gemiddelde waarde van veel onderdelen van –45°C tot +120°C, aangezien de oven de temperatuur opvoert met 5°C/min, maar zonder enige inweektijd. Dit zou worden afgeleid van plots vergelijkbaar met figuur 9 en zou ongeveer 18 mg . oproepen boven 165°C, of ​​ongeveer 109 µg /°C, wat iets buiten de typische waarde van 100 µg . ligt /°C, maar binnen het minimum- en maximumbereik zoals gespecificeerd in het gegevensblad. Houd echter rekening met de rechterkant van Afbeelding 9, aangezien de apparaten ongeveer 15 minuten bij 120 °C blijven weken. Naarmate de apparaten op een hoge temperatuur zitten, daalt en verbetert de werkelijke hoeveelheid offset-ploeg. In dit geval ligt de gemiddelde waarde dicht bij 10 mg boven 165°C of ongeveer 60 µg /°C offset tempco. Het tweede effect dat dan in het spel is, is de differentiële thermische spanning, aangezien de sensorbestendige massa zich in temperatuur stabiliseert over het gehele siliciumapparaat en de spanning vervolgens wordt verminderd. Dit is het effect dat wordt waargenomen bij de luchtpistooltests die worden getoond in Afbeelding 6 tot en met Afbeelding 8 en het is belangrijk om te begrijpen dat dit effect op een snellere tijdschaal werkt dan de offset-tempcos op langere termijn zoals vermeld in het gegevensblad. Dit kan waardevol zijn voor veel systemen, die vanwege hun algemene thermische dynamiek waarschijnlijk een veel langzamere helling zullen hebben dan 5°C/min.

In deel drie van deze serie zullen we andere feiten onderzoeken die van invloed zijn op de stabiliteit en vervolgens aanbevelingen doen voor mechanisch systeemontwerp om de algehele prestaties van een 3-assige MEMS-versnellingsmeter met hoge precisie te verbeteren.

Referenties

¹ Chris Murphy. "De meest geschikte MEMs-versnellingsmeter kiezen voor uw toepassing - deel 1." Analoge Dialoog, Vol. 51, nr. 4, oktober 2017.

² Chris Murphy. "Accelerometer Tilt Maatregel over temperatuur en in aanwezigheid van trillingen." Analoge dialoog, augustus 2017.

³ SDP-K1 evaluatiesysteem. Analog Devices, Inc.

⁴ Mbed:Gebruikershandleiding voor SDP-K1. Analog Devices, Inc.

⁵ PanaVise scharnierarmbevestiging. PanaVise.

⁶ Mbed-code. Analog Devices, Inc.

⁷ Weller 6966C verwarmings-/koelluchtpistool. Weller.

⁸ Parylène. Wikipedia.