Выбор оптимального акселерометра для конкретного приложения.
Часть 1

Новейшие емкостные МЭМС-акселерометры находят применение в приложениях, где традиционно доминируют пьезоэлектрические акселерометры и другие датчики. МЭМС-датчики нового поколения станут эффективным решением в таких областях, как системы структурной целостности объектов, мониторинг состояния оборудования, имущества и товаров, системы диагностики организма человека и беспроводные сенсорные сети «Интернета вещей». Однако из-за огромного количества предлагаемых акселерометров и немалого числа приложений выбор подходящего компонента весьма непрост.

Сегодня не существует отраслевого стандарта для определения того, к какой категории принадлежит тот или иной акселерометр. Разряды, в соответствии с которыми обычно классифицируются акселерометры, и области их применения показаны в таблице 1. Здесь также отображены величины полосы пропускания и диапазоны измерения ускорений, типичные для акселерометров, используемых в перечисленных приложениях.

На рис. 1 представлены виды МЭМС-акселерометров компании Analog Devices, где каждый датчик на основе ключевых характеристик соответствует определенному приложению и уровню интеллектуальности/интеграции. Основное внимание в статье уделяется акселерометрам нового поколения, основанным на улучшенных МЭМС-структурах и системах обработки сигналов, а также новейших методах корпусирования, обеспечивающих высокую стабильность и превосходные шумовые характеристики, сравнимые с параметрами более дорогих нишевых устройств, причем новые компоненты потребляют меньше энергии. Эти и другие основные характеристики акселерометров рассмотрены более подробно в следующих разделах, в которых обсуждается применение данных устройств в определенных типах приложений.

Рис. 1. Области применения МЭМС-акселерометров Analog Devices

Определение угла наклона, или крена

Здесь ключевыми критериями являются: стабильность смещения, смещение вследствие влияния температуры, низкий уровень шума, повторяемость результатов измерений, выпрямление вибрационных колебаний, чувствительность по поперечной оси.

Точное определение угла наклона, или крена, — важное требование для емкостных МЭМС-акселерометров, особенно в присутствии вибрации. Использование емкостных МЭМС-акселерометров для достижения точности определения угла наклона 0,1° в динамических средах чрезвычайно затруднительно, добиться точности менее 1°непросто, но точность более 1° вполне достижима. Для того чтобы акселерометр эффективно измерял угол наклона, или крен, следует хорошо понимать характеристики датчика и условия окружающей среды, в которой он функционирует. Статические среды в отличие от динамических обеспечивают гораздо лучшие возможности для измерения угла наклона, поскольку вибрация или удар способны исказить данные о крене и привести к значительным ошибкам в измерениях. Наиболее важными характеристиками для измерения угла наклона считаются смещение температурного коэффициента, гистерезис, низкий уровень шума, стабильность в краткосрочной и долгосрочной перспективе, повторяемость результатов измерений и эффективное выпрямление вибрационных колебаний.

Такие ошибки, как точность смещения нуля, смещение нуля, вызванное пайкой или выравниванием корпуса на печатной плате, смещение нуля из-за влияния температурного коэффициента, точность чувствительности и температурный коэффициент, нелинейность и чувствительность по поперечной оси, являются наблюдаемыми, и их можно уменьшить с помощью процессов калибровки, выполняемых после сборки. Другие погрешности — например, гистерезис, смещение нуля и чувствительности с течением времени, смещение нуля вследствие влияния влажности, а также влияние изгиба и искривления печатной платы из-за колебаний температуры во времени, не могут быть устранены при калибровке. Добиться их уменьшения можно лишь в процессе обслуживания устройства непосредственно на месте эксплуатации.

Акселерометры Analog Devices можно разделить на МЭМС-устройства (ADXLxxx) и компоненты специального назначения iSensor (ADIS16xxx). iSensor, или интеллектуальные датчики, представляют собой программируемые компоненты с высокой степенью интеграции (4–10 степеней свободы), действующие в составе сложных устройств, работающих в динамических условиях. Эти высокоинтегрированные решения полностью откалиброваны на заводе, имеют встроенную систему компенсации параметров и блок обработки сигналов, что минимизирует многие из описанных выше ошибок при обслуживании устройства на месте и значительно снижает затраты на проектирование и проверку. Заводская калибровка охватывает всю сигнальную цепь датчиков и нормализует чувствительность и смещение в заданном диапазоне температур, обычно –40…+85 °C. В результате каждый элемент iSensor имеет свои уникальные формулы коррекции, позволяющие выполнять точные измерения после установки компонента. Для некоторых систем заводская калибровка устраняет необходимость калибровки на уровне системы и значительно упрощает ее в других случаях.

Компоненты iSensor специально предназначены для конкретных приложений. Так, ADIS16210 (рис. 2) разработан для приложений, в которых требуется определять угол наклона, поэтому его относительная точность без выполнения дополнительной калибровки  составляет менее 1°. В основном это достигается благодаря встроенным алгоритмам обработки сигналов и калибровке каждого конкретного компонента для обеспечения оптимальной точности. Датчики серии iSensor описаны далее в разделе «Стабилизация».

Рис. 2. Прецизионный трехосный датчик угла наклона ADIS16210

Архитектуры акселерометров последнего поколения, в частности ADXL355, отличаются большей универсальностью (устройства могут применяться для определения наклона, мониторинга состояния оборудования, определения структурной целостности конструкций, курса и пространственного положения, а также в качестве инерциальных измерительных модулей) и содержат меньше специализированных компонентов, но имеют многофункциональные интегрированные блоки (рис. 3).

Рис. 3. Трехосевой МЭМС-акселерометр ADXL355 с низким уровнем шума, малым дрейфом и низким энергопотреблением

Итак, сравним акселерометр общего назначения ADXL345 с акселерометром нового поколения ADXL355 с низким уровнем шума, малым дрейфом и низким энергопотреблением, который идеален для использования в различных приложениях, таких как сенсорные узлы «Интернета вещей» и инклинометры. Рассмотрим источники ошибок при определении угла наклона, и то, какие ошибки могут быть компенсированы или устранены. В таблице 2 приведены эксплуатационные характеристики акселерометров для потребительских устройств ADXL345 и соответствующие ошибки измерения угла наклона. В данном случае, чтобы достичь наилучшей точности определения угла наклона необходимо выполнить температурную стабилизацию или компенсацию. В этом примере предполагается, что температура постоянна и равна +25 °C. Наиболее существенными факторами, которые не могут быть полностью компенсированы, являются смещение вследствие влияния температуры, дрейф смещения и шум. Для снижения шума можно уменьшить ширину полосы пропускания, поскольку для определения угла наклона обычно требуется полоса пропускания менее 1 кГц.

В таблице 3 показаны те же критерии для ADXL355. Краткосрочные значения смещения оценивались по диаграммам дисперсии Аллана, приведенным в документации на ADXL355. Для акселерометров общего назначения ADXL345 скомпенсированная точность определения угла наклона при +25 °C равна 0,1°. Для акселерометров промышленного класса ADXL355 эта точность составляет 0,005°. Сравнивая ADXL345 и ADXL355, можно заметить, что такой существенный фактор возникновения ошибок измерения, как шум, был значительно уменьшен с 0,05° до 0,0045°, дрейф смещения сокращен с 0,057° до 0,00057°. Это демонстрирует огромный скачок в области снижения шума и дрейфа смещения емкостных МЭМС-акселерометров, что позволяет значительно повысить уровень точности определения угла наклона в динамических условиях.

Выбор акселерометра более высокого класса имеет решающее значение для достижения требуемых характеристик, особенно если точность определения угла наклона должна быть менее 1°. Точность варьируется в зависимости от условий применения (большие колебания температуры, вибрация) и выбора датчика (компоненты потребительского класса или компоненты промышленного/тактического класса). В данном случае ADXL345 потребует значительных усилий по выполнению компенсации и калибровки для достижения погрешности менее 1°, что увеличит общее время производства системы и ее стоимость. В зависимости от уровня вибрации в рабочей среде и температурного диапазона это может оказаться недостижимым. При температуре +25…+85 °C дрейф смещения температурного коэффициента составляет 1,375°, что уже превышает требование обеспечения точности при определении угла наклона менее 1°.

Для ADXL355 максимальный дрейф смещения температурного коэффициента равен 0,5° при температуре +25…+85 °C.

Повторяемость результатов измерений для ADXL354 и ADXL355 (±3,5 мg/0,2° по осям X и Y, ±9 мg/0,5° по оси Z) прогнозируется на 10 лет эксплуатации и учитывает смещения, возникшие вследствие испытаний под высокой температурой в течение длительного периода (испытания проводились в течение 1000 ч при температуре +150 °C, напряжении питания 3,6 В), циклического воздействия температуры (1000 циклов изменения температуры в диапазоне −55…+125 °C), влияния случайного блуждания угловой скорости, широкополосного шума и температурного гистерезиса. Благодаря высокой повторяемости результатов измерений при любых условиях новые акселерометры обеспечивают минимальную ошибку определения угла наклона без дополнительной калибровки для работы в жестких условиях окружающей среды, а также минимизируют потребность в калибровке после ввода устройства в эксплуатацию. Акселерометры ADXL354 и ADXL355 поддерживают гарантированную температурную стабильность с максимальным коэффициентом смещения нуля 0,15 мg/°C. Это сокращает затраты, связанные с калибровкой и тестированием, что в конечном итоге позволяет производителям выпускать большее количество устройств за то же время. Кроме того, герметичный корпус гарантирует, что конечный продукт будет соответствовать своим показателям повторяемости и стабильности после того, как он покинет завод.

Обычно повторяемость и устойчивость к ошибкам выпрямления вибрационных колебаний (VRE, или vibration rectification error) не приводятся в документации, поскольку это может служить потенциальным индикатором более низкой производительности. Например, ADXL345 является акселерометром общего назначения, ориентированным на потребительские приложения, где ошибки VRE не считаются ключевым фактором для разработчиков. Однако в более сложных приложениях, таких как устройства инерциальной навигации, приборы для определения угла наклона или оборудование, работающее в среде с высоким уровнем вибрации, устойчивость к VRE, вероятно, будет основным параметром, на который обратит внимание разработчик, поэтому данная характеристика включена в документацию на акселерометры ADXL354/ADXL355 и ADXL356/ADXL357.

Как показано в таблице 4, VRE представляет собой ошибку смещения, возникающую, когда акселерометры подвергаются влиянию широкополосной вибрации. Когда на акселерометр действуют вибрации, этот параметр вносит в результаты измерения угла наклона погрешность, существенную по сравнению со смещением нуля в зависимости от температуры и шумом. Такова одна из основных причин, по которой данный параметр не указывается в документации, поскольку он может очень легко отодвинуть на второй план другие ключевые характеристики.

VRE — отклик акселерометра на вибрационные колебания, выраженные сигналами переменного тока, которые выпрямляются в сигналы постоянного тока. Эти выпрямленные колебания могут сдвигать смещение акселерометра, что приводит к значительным ошибкам, особенно в устройствах определения угла наклона, где представляющая интерес информация является сигналами постоянного тока. Любое небольшое изменение смещения по постоянному току может быть интерпретировано как изменение угла наклона и привести к ошибкам на системном уровне.

Примечание. *Диапазон ±2g в ориентации 1g, смещение из-за вибрации 2,5g с.к.з.

Ошибка VRE может быть вызвана влиянием различных резонансных контуров и фильтров внутри акселерометра, в данном случае функционирование ADXL355 из-за такой ошибки имеет сильную зависимость от частоты. Вибрационные колебания усиливаются этими резонансными контурами с коэффициентом, равным добротности контура, и на более высоких частотах колебания будут затухать вследствие воздействия второго порядка передаточной функции резонатора, имеющей два полюса. Чем выше добротность, тем выше VRE из-за большего усиления вибраций. Увеличение ширины полосы измерения приводит к появлению высокочастотных внутриполосных колебаний, что вызывает повышение VRE (рис. 4). Многих проблем, связанных с вибрацией, можно избежать, если выбрать для акселерометра подходящую полосу пропускания, чтобы избавиться от высокочастотных колебаний [1].

Рис. 4. VRE акселерометра ADXL355 при различных полосах пропускания

Для измерения угла наклона в статике обычно требуются акселерометры с небольшим диапазоном измеряемых ускорений ±1…±2 g и полосой пропускания менее 1,5 кГц. ADXL354 с аналоговым выходом и ADXL355 с цифровым выходом представляют собой трехосевые малопотребляющие акселерометры с низкой плотностью шума (20 мкg√Гц и 25 мк‎g√Гц соответственно), малым дрейфом смещения нуля, встроенными датчиками температуры и выбираемыми диапазонами измерения, как показано в таблице 5.

Акселерометры ADXL354/ADXL355 и ADXL356/ADXL357 поставляются в герметичных корпусах, что обеспечивает превосходную долговременную стабильность. Как правило, на производительность акселерометра влияют способы корпусирования, как показано на рис. 5. Когда речь идет о том, что может сделать производитель, чтобы повысить стабильность и уменьшить дрейф, зачастую корпусирование даже не рассматривается. Но это ключевое направление работы Analog Devices, и доказательство тому — широкий спектр разных типов корпусов, которые соответствуют различным областям применения.

Рис. 5. Примеры повышения производительности за счет усовершенствованных методов корпусирования и калибровки

Высокотемпературные и динамические среды

До появления акселерометров, рассчитанных на эксплуатацию при высокой температуре или в жестких условиях окружающей среды, некоторые разработчики вынуждены были использовать микросхемы со стандартным температурным диапазоном, выходя за пределы указанных в документации характеристик. То есть конечный пользователь должен был взять на себя ответственность и риски, связанные с аттестацией компонента для работы при повышенных температурах, что дорого и требует много времени. Известно, что герметичные корпуса весьма надежны при повышенных температурах и обеспечивают защиту от влаги и загрязнений, вызывающих коррозию. Analog Devices предлагает ряд компонентов в герметичных корпусах, характеризующихся повышенной стабильностью и высокой производительностью в широком диапазоне температур. Компания провела значительную работу по изучению производительности компонентов в пластиковых корпусах при повышенных температурах, в частности оценивалась способность выводных рамок и выводов микросхем выдерживать высокотемпературные процессы пайки и обеспечивать надежное крепление, способное противостоять сильным ударам и вибрации. В результате Analog Devices предлагает 18 акселерометров, функционирующих в диапазоне температур –40…+125 °C, среди которых можно назвать ADXL206, ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357, ADXL1001/ADXL1002, ADIS16227/ADIS16228 и ADIS16209. Большинство конкурентов не предлагают емкостные МЭМС-акселерометры, способные работать в указанных температурных пределах или в жестких условиях окружающей среды — например, в составе тяжелого промышленного оборудования или при бурении и разведке скважин.

Выполнение измерений угла наклона в очень жестких условиях окружающей среды с температурой выше +125 °C — задача чрезвычайно сложная. ADXL206 представляет собой высокоточный (точность измерения угла наклона ±0,06°) малопотребляющий МЭМС-акселерометр, предназначенный для приложений с высокотемпературными и суровыми средами, таких как бурение и разведка скважин. Этот компонент имеет керамический корпус размером 13×8×2 мм с двумя рядами расположенных по бокам выводов, который способен функционировать в температурном диапазоне −40…+175 °C с ухудшением характеристик после +175 °C и 100%-ной восстановимостью при возобновлении работы при температурах ниже +175 °C.

Для измерения угла наклона в динамических средах, где присутствует вибрация, например в сельскохозяйственной технике или беспилотных летательных аппаратах, требуются акселерометры с более широким диапазоном измерения ускорений, в частности ADXL356/ADXL357. Выполнение измерений в ограниченном диапазоне может привести к отсечке результирующего значения, что вызывает дополнительное смещение к выходному сигналу. Отсечка может возникнуть из-за того, что ось измерения присутствует в гравитационном поле 1 g, или из-за ударов с быстрым временем нарастания и медленным затуханием. При измерениях в более широком диапазоне величина отсечки сокращается, что уменьшает смещение, это в свою очередь повышает точность определения угла наклона в динамических приложениях.

На рис. 6 показаны результаты измерения в ограниченном диапазоне ускорений по оси Z акселерометра ADXL356, причем гравитационное поле 1 g уже присутствует в этом диапазоне измерений.

Рис. 6. Ошибка VRE акселерометра ADXL356, смещение по оси Z от 1 g, диапазон измеряемых ускорений ±10 g, ориентация по оси Z = 1 g

На рис. 7 даны те же измерения, но диапазон расширен с ±10 до ±40 g. Эти графики четко демонстрируют, что смещение, вызванное отсечкой, значительно уменьшается за счет расширения диапазона измеряемых ускорений акселерометра.

Рис. 7. Ошибка VRE акселерометра ADXL356, смещение по оси Z от 1 g, диапазон измеряемых ускорений ±40 g, ориентация по оси Z = 1 g

Акселерометры ADXL354/ADXL355 и ADXL356/ADXL357 обеспечивают эффективное выпрямление вибрационных колебаний, повторяемость результатов измерения на протяжении длительного времени и низкий уровень шума в компактном корпусе и идеально подходят для измерения угла наклона и крена как в статической, так и в динамической среде.

Стабилизация

Понятие стабилизации определяется следующими основными критериями: плотность шума, случайное блуждание угловой скорости, стабильность смещения во время работы, повторяемость смещения и ширина полосы пропускания.

Возможность обнаружения движения и интерпретация информации о нем может повысить значимость многих приложений. Эта значимость увеличивается за счет получения данных о движении, которое испытывает система, и их обработки с целью повышения производительности (сокращения времени отклика, увеличения точности или скорости работы), безопасности и надежности (отключение системы в опасных ситуациях) или с целью реализации других дополнительных функций. Существует большой класс приложений стабилизации объектов, которые из-за сложности движения требуют сочетания гироскопов с акселерометрами (слияние датчиков), как показано на рис. 8. Такие устройства необходимы в составе оборудования для наблюдений на базе БПЛА и в системах ориентации антенн, используемых на судах [2].

Рис. 8. Инерциальный измерительный модуль с шестью степенями свободы

Инерциальные измерительные модули с шестью степенями свободы содержат несколько датчиков, чтобы компенсировать слабые стороны каждого из них. То, что может показаться простым инерциальным движением по одной или двум осям, на самом деле требует взаимосвязи акселерометра и гироскопа, чтобы компенсировать влияние вибрации, гравитации и других факторов, которые акселерометр или гироскоп по отдельности не смогли бы точно измерить. Данные акселерометра состоят из гравитационной составляющей и ускорения движения. Их нельзя разделить, но можно использовать гироскоп, чтобы убрать гравитационную составляющую из выходного сигнала акселерометра. Незначительная ошибка, связанная с гравитационной составляющей, может быстро превратиться в большую проблему после необходимого процесса интеграции для определения положения в зависимости от ускорения. Из-за ошибки накопления для определения положения одного гироскопа недостаточно. Гироскопы не могут измерять силу тяготения, поэтому они служат в качестве дополнительного датчика, делающего показания акселерометра более точными.

В приложениях стабилизации МЭМС-датчик должен обеспечивать точное определение ориентации платформы, особенно когда она находится в движении. На рис. 9 показана блок-схема стандартной системы стабилизации положения платформы, использующей серводвигатели для коррекции углового движения. Контроллер серводвигателей (обратной связи) преобразует полученные с датчиков данные об ориентации платформы в пространстве в корректирующие сигналы управления серводвигателями.

Рис. 9. Стандартная система стабилизации положения платформы

Конечное приложение будет определять требуемый уровень точности, а качество выбранного датчика потребительского или промышленного класса определит, достижима ли такая точность или нет. Важно различать устройства потребительского класса и устройства промышленного класса, и в некоторых случаях может потребоваться тщательное изучение характеристик, поскольку различия могут быть незначительными. В таблице 6 показаны основные различия между акселерометрами потребительского класса и акселерометрами промышленного класса среднего уровня, интегрированными в инерциальные измерительные модули. Точность промышленных МЭМС-устройств более чем на порядок выше по сравнению с потребительскими датчиками, и характеристики всех известных потенциальных источников ошибок в них лучше изучены и описаны [2].

В некоторых случаях, когда условия являются не слишком жесткими и приемлемы неточные данные, устройство с низкой точностью может обеспечить адекватную производительность. Тем не менее требования к датчику, работающему в динамических условиях, существенно выше, и компоненты с низкой точностью не способны обеспечить адекватные выходные сведения из-за невозможности уменьшить влияние вибрации на результаты измерений или влияние температуры, поэтому они лишь выполняют измерения с точностью 3–5°. В документации на многие потребительские МЭМС-устройства не указываются такие параметры, как выпрямление вибрационных колебаний, угловой случайный уход (шума), и другие характеристики, которые в действительности могут стать самыми большими источниками ошибок в промышленных приложениях.

Для того чтобы в динамических средах выполнять измерения с точностью 1–0,1°, при выборе компонентов разработчик должен сосредоточиться на способности датчиков компенсировать дрейф ошибки при изменении температуры и влияние вибрационных колебаний. Хотя блоки фильтрации внутри датчиков и алгоритмы совместной обработки сигналов с разных датчиков являются основными элементами, позволяющими достигнуть высокой эффективности, они не способны устранить разрыв в производительности между устройствами потребительского и промышленного классов. Выпускаемые Analog Devices промышленные инерциальные измерительные модули нового поколения достигают производительности, близкой к той, что характерна для систем управления ракетным оружием предыдущего поколения. Такие компоненты, как ADIS1646x и ADIS1647x, обеспечивают точное измерение движения в стандартном форм-факторе и форм-факторе mini IMU, предоставляя возможности, прежде доступные только в узконишевых приложениях.

Во второй части публикации мы продолжим изучать основные характеристики МЭМС-акселерометров и их применение в носимых устройствах, при мониторинге состояния оборудования и «Интернета вещей», включая мониторинг структурной целостности объектов и мониторинг состояния имущества и товаров.

Продолжение статьи