Basisprestatie bepalen voor hoogpreciese MEMS-versnellingsmeters

In het eerste deel van deze serie onderzochten we de interne architectuur van de 3-as ADXL355 MEMS-versnellingsmeter. In dit artikel leggen we uit hoe u een betrouwbare startdataset kunt verzamelen die de ruisvloer van het apparaat bevestigt en de verwachtingen voor volgende signaalverwerkingsexperimenten valideert.

Testopstelling en data-acquisitie

Hoewel de analoge uitgang van de versnellingsmeter met elk DAQ-systeem verbonden kan worden, levert Analog Devices een compact evaluatiebord – de EVAL‑ADXL35x – ontworpen voor snelle integratie in embedded prototypes. Voor deze studie werd het bord op een SDP‑K1 microcontroller gemonteerd en geprogrammeerd via de gratis, ARM‑gebaseerde Mbed omgeving. De SDP‑K1 verschijnt als een extern station wanneer deze met een pc verbonden is, zodat de gebruiker de gecompileerde binaire bestand eenvoudig kan flashen door het op het station te slepen.

Zodra de Mbed-firmware liep, werden de data via UART naar een terminal gestreamd en gelogd met 2 Hz. Hoewel de ADXL355 data kan leveren bij veel hogere snelheden, richt dit artikel zich op de lage logfrequentie die voldoende is voor het vastleggen van een basislijn.

Mechanische stabiliteit

Om een stabiel meetoppervlak te garanderen, werd de sensor met een PanaVise gearticuleerde arm met zuignapmontage op een glas werkbank geklemd. Hoewel de klep een kleine kantelingsrisico kan introduceren, is het een kosteneffectieve methode om de sensor ten opzichte van de zwaartekracht te roteren zonder de hele bank te verplaatsen. De ADXL355 werd gepositioneerd zoals weergegeven in Figuur 1 en een 60-seconden datastroom werd vastgelegd voor de initiële analyse.

klik voor afbeelding in volledige grootte

Figuur 2. Testopstelling met EVAL‑ADXL35x, SDP‑K1 en PanaVise-montage. (Bron: Analog Devices)

klik voor afbeelding in volledige grootte

Figuur 3. ADXL355-data zonder laagdoorlaatfilter (register 0x28=0x00), genomen gedurende 1 minuut. (Bron: Analog Devices)

Uit de 120 monsters lag de standaarddeviatie tussen 800 µg en 1,1 mg. Het ADXL355-datasheet geeft een ruisdichtheid van 25 µg/√Hz. Met de standaard 1 kHz bandbreedte (LPF ingeschakeld) vertaalt dit zich naar 25 µg/√Hz × √1000 Hz ≈ 791 µg rms, aannemend een brick‑wall filter. De gemeten waarden vallen comfortabel binnen deze theoretische range, wat de ruisprestaties van de sensor bevestigt.

Invloed van het digitale laagdoorlaatfilter

De meeste precisie-toepassingen vereisen geen 1 kHz bandbreedte. Door het onboard digitale laagdoorlaatfilter (LPF) in te stellen op 4 Hz, zou de effectieve ruis met een factor √1000/√4 ≈ 16 moeten dalen. De Mbed-firmware-aanpassing wordt getoond in Figuur 4, en de resulterende data in Figuur 5. Tabel 1 vat de gemeten en theoretische ruis voor elke as samen, met en zonder LPF.

klik voor afbeelding in volledige grootte

Figuur 4. Mbed-code voor het configureren van een register. (Bron: Analog Devices)

klik voor afbeelding in volledige grootte

Figuur 5. ADXL355-data met LPF ingesteld op 4 Hz (register 0x28=0x08), genomen gedurende 1 minuut. (Bron: Analog Devices)

Opvallend is dat de Y‑as-ruis de theoretische voorspelling overschreedt. Een systematisch onderzoek onthulde dat de laptop en andere apparatuurventilatoren in het lab trillingen introduceerden, voornamelijk in de Y‑richting. Door de sensor te roteren zodat de X‑as uitgelijnd was met de trillingsbron, verschoven de overmatige ruis naar de X‑as, wat bevestigde dat de afwijking voortkwam uit externe mechanische storingen en niet uit intrinsieke sensorvariantie.

Thermische schoktest

Om de respons van de sensor op snelle thermische storingen te evalueren, werd een Weller 6966C heetluchtpistool op de "koel" stand (≈ 40 °C temperatuursstijging) bediend. De ADXL355's onboard temperatuursensor logde de omgevingstemperatuur terwijl de pistool warme lucht naar het hermetisch afgedichte keramische pakket blies. Figuur 6 toont de duidelijke 1,5 mg offset in de Z‑as en de veel kleinere verschuivingen in X en Y. Toen de pistool werd uitgezet, keerde de Z‑as bijna direct terug naar de basislijn, zoals getoond in Figuur 7.

klik voor afbeelding in volledige grootte

Figuur 6. ADXL355 thermische schokdata met heetluchtpistool op koelstand. (Bron: Analog Devices)

klik voor afbeelding in volledige grootte

Figuur 7. ADXL355 thermische schok met heetluchtpistool uitschakelen op t = 240 seconden. (Bron: Analog Devices)

De snelle Z‑as-offset (≈ 10 mg) overschrijdt ver de 100 µg/°C offset-temperatuurcoëfficiënt uit het datasheet. Dit gedrag wordt toegeschreven aan differentiële thermische spanning over het silicium-die, wat de bewijsmassa in de Z‑richting sterker beïnvloedt. In tegenstelling tot de voorspelde 4 mg verschuiving bij een temperatuursstijging van 40 °C op basis van de offsetcoëfficiënt, benadrukt het waargenomen effect dat het mechanisch is in plaats van thermische drift.

Oven‑gebaseerde temperatuurkarakterisering (Figuur 8) bevestigt de offset-temperatuurcoëfficiënt van ongeveer 100 µg/°C over het bereik van -45 °C tot +120 °C wanneer de sensor langzaam wordt opgewarmd met 5 °C/min zonder in te laten zaktemen. Een 15-minuten inzaktemen bij 120 °C verlaagt de effectieve coëfficiënt tot ≈ 60 µg/°C, omdat de differentiële spanningen evenwicht bereiken.

klik voor afbeelding in volledige grootte

Figuur 8. Oven-gebaseerde temperatuurkarakterisering van de ADXL355. (Bron: Analog Devices)

Deze basismetingen bevestigen dat de ADXL355 de geadverteerde lage-ruisprestaties levert bij gebruik van het juiste digitale laagdoorlaatfilter, en dat snelle thermische schokken significante offset-transienten kunnen induceren die in het ontwerp gemitigeerd moeten worden.

In deel drie van deze serie zullen we aanvullende factoren onderzoeken die de langetermijnstabiliteit beïnvloeden en mechanische ontwerprichtlijnen geven om de sensorprestaties verder te verbeteren.

Referenties

• ¹ Chris Murphy, "Choosing the Most Suitable MEMS Accelerometer for Your Application—Part 1," Analog Dialogue, vol. 51, no. 4, okt 2017.
• ² Chris Murphy, "Accelerometer Tilt Measure Over Temperature and in the Presence of Vibration," Analog Dialogue, aug 2017.
• ³ SDP‑K1 evaluatiesysteem.
• ⁴ Mbed Gebruikershandleiding voor SDP‑K1.
• ⁵ PanaVise gearticuleerde arm montages.
• ⁶ Mbed-codevoorbeeld.
• ⁷ Weller 6966C verwarmings/koel luchtpistool.
• ⁸ Parylene.