摘要:本文介绍了加速度传感器芯片ADXL250在设计导航系统中的加速度计方面的一个应用。文中还介绍了加速度计相关的标定电路。标定前后的实验数据对比表明:用此加速度传感器设计的加速度计体积小、结构简单,精度高,能很好地满足惯性测量和导航系统中加速度的测量。
1 引言
加速度计是惯性测量和导航系统的主要惯性元件之一,它的输出与运载体的运动加速度成比例,其作用原理是基于牛顿的经典力学定律。自二次世界大战中德国人成功在V_2型火箭上应用第一个积分加速度计以来,便有近百种不同类型的加速度计问世。从最初的机械式发展到液浮、气浮、磁悬浮,到60年代后期的挠性、静电、激光、压电晶体谐振式等特殊支承形式的仪表。特别是近十几年来,随着科技技术的飞速发展,惯导系统对加速度计精度、体积、重量、寿命、结构牢固性、可靠性提出了越来越高的要求;同时在研制加速度计时不断采用了新技术、新材料、新工艺,因而推进了微机械惯性加速度计的产生与发展。其中,硅微型加速度计是一类重要的微惯性器件。本论文研究的加速度计是基于美国Analog Devices公司生产的表面微机械加速度传感器ADXL250芯片进行设计的。
2 加速度计的设计方案
本文研究的加速度计基于AD公司的ADXL250芯片。 ADXL250是一种单芯双轴表面微机械加速度传感器,它是将加速度计与信号调理电路集成在一个芯片上的双轴、容性加速度测量系统。其特点为:用户可选择从±5g~±50g测量量程;输出灵敏度也可从mV/g~400mV/g中选择;分辨率为10mg;带宽为1KHz;+5V单电源工作;不加电时可以承受2000g的振动冲击而不致损坏。相对于传统的加速度,它的成本较低,且能同时测量两个正交方向的加速度,适用于静态和动态的加速度测量。该芯片可测量两个正交方向的加速度,将测量结果以电压形式输出。它的使用很简单,一个电源旁路电容是芯片正常工作需要的唯一外部元件[1]。
但是由于直接从ADXL250输出的加速度测量信号存在着零位误差、高频噪声信号等,大大影响其测量精度。为了使加速度计满足惯性测量的要求,需要设计相应的标定电路以及后置 滤波电路,如图1所示。
3 加速度计的参数标定[2,4,5]
由于加速度计芯片本身的零偏值和标度因数与理论值均有偏差,因此要提高测量精度,就需要在加速度计进行测试之前先对其标定。传感器的标定一般包括零位标定和标度因数标定。
对于此加速度计,即标定(2)式中的K0,K1。理论上,输入加速度为0g时,加速度计的输出电压为2.5V,因此零偏值应标定为2.5V;对于标度因数的选择,考虑到设计的加速度计应用于小范围加速度的测量场合,选择加速度测量范围为±5g,由文献[1],此时标度因数应标定为400mV/g。根据文献[2],理论分析和试验均可证明,加速度计在其通频带内各个频率点的灵敏度是相同的、线性是一致的。因此,在零频点(静态)对加速度的灵敏度和线性度进行精确的测量和标定,即可给出加速度计在其频带内的主要特征参数。本文的标定和参数测试均选择在±1g的范围内进行。
比较简单的一种方法是利用地球重力来进行标定。标定电路如图2所示。图中,RT为一个200KΩ的电位计,用来调节零位;R1b为一个50KΩ的电位计,用来调节标度因数。当加速度 计的敏感轴与水平面保持一致时,输出为0g,理论上输出电压2.5V,调节相应的电位计标定零位;当传感器的敏感轴与水平面垂直时,输出为±1g,则相应的电压输出为
V=(2.5+标度因数×(±1g))V
4 加速度计滤波电路设计
由于从传感器出来的信号噪声主要是高频噪声,因此选用低通滤波器来消除高频噪声,简单的二阶滤波器就能满足多种滤波要,且Butterworth滤波器可给出最平坦的通带特性。因此 本系统中采用二阶Butterworth低通滤波器来滤除外部随机噪声信号。根据其适用场合,可取不同的低通截止频率,此处取f-3dB=1KHz。如图3为二阶低通滤波器的原型:
5 加速度计特性参数的测试[3]
本文利用重力场静态翻滚实验来测试加速度传感器ADXL250与标定后的加速度计的一些主要的性能参数。重力场静态翻滚实验是利用精密光学分度头测试设备来改变重力加速 度在加速度计输入轴方向的分量,来测量加速度计的各项性能指标。通常采用等角度分割的多点翻滚程序来标定加速度计静态性能参数。由于重力加速度容易获得,且能精确测定其大小 和方向,具有实验方法简便和结果精确的特点。因此这种实验是加速度计性能实验的主要方法之一。
将加速度计及其外围线路固定在光学分度头上,利用数字电压表测量加速度计输出电压。如图4所示(以X轴为例),随着β角的变化,有效重力加速度为gsinβ。
为降低安装误差,应尽量使ADXL250的敏感轴与光学分度头的安装表面平行,减小所测加速度在与敏感轴垂直的Y、Z两个轴上的分量。具体做法如下:使加速度计输出最大(或最小), 即此时的输入加速度为+g(或-g),则对应β=+90°(或β=-90°);旋转180°后,理论上加速度计的输出应为最小(或最大),即此时的输入加速度为-g(或+g),对应β=-90°(或β=+90°)。反复调整加速度计的安装位置,尽量满足以上要求,才能使加速度计的敏感轴与分度头平行,降低安装误差。确定加速度计的零位位置:确定加速度计的输出的最大值和最小值后,将两个值取平均值,则此平均值即为加速度计处于零位(即加速度为0g)时的值,将此时的分度头位置记为初始位置,即β=0°,读取当前的输出电压,理论上此电压应为2.5V。
5·1 灵敏度测试
灵敏度是指传感器输出的变化与所施加的加速度变化的比率。灵敏度测量的具体步骤如下:
(1)调整零位,记录β=0°时的输出数据。
(2)分度头逆时针旋转30°,60°,90°,读取并记录加速度计的输出值。
(3)分度头位置恢复至步骤1中的零位位置,然后顺时针旋转30°,60°,90°,读取并记录加速度计的输出值。
(4)从第2步和第3步结果分别计算出灵敏度,再取平均值,即得该加速度计的灵敏度。标定前后灵敏度测试结果对比如表1所示:
5·2 线性度测试
测量加速度计线性度原理与灵敏度原理相同。倾角选择应使加速度计所受有效加速度从零到满量程范围内变化。此处, 由于条件限制,只测±1g范围内的线性度。具体步骤如下:
(1)将纵坐标作为输出信号电压,横坐标作为所受有效加速度,用最小二乘法拟合数据,得Y=K0+K1*a(其中K0为零偏值,K1为标度因数)。
(2)将测得的实验数据分别和对应的理论值相减,再与理论值相比,得到每个点的相对偏差;再将以上各点的相对偏差取平均值则得出平均线性度。
(3)将偏离直线最大的数据点和相对应的理论值相减,得到最大偏差,其值的绝对值与理论值相比即为线性度。
标定前后线性度测试结果对比如表2所示
5·3 实验结果与分析
加速度芯片ADXL250在标定之前的零偏值2.518V偏离了理论值2.5V,标度因数为38mV/g,在±1g的范围内灵敏度为0.0380mV/g,线性度为0.73%;参数标定将零偏值调整为2.5V,标度因数调整为400mV/g,在±1g的范围内,灵敏度为0.406mV/g,线性度达到0.56%。
标定前后测试结果表明:
(1)根据表1中的测试数据,标定后的加速度计的实际输出 的平均灵敏度为0.406V/g,不等于设定的额定值0.4V/g。这种现象是由于一定的误差导致的,且在具体调节过程中不能同时 保证(-1g,0)与(0,+1g)两段的标度因数相同,因此需要反复调节零偏值与标度因数来尽量满足各参数指标。
(2)与未标定的加速度传感器ADXL250相比,标定后的加速度计的输入与输出能够保持更好的线性关系,从而能获得更好的精度。但是,由于线性度测试时的范围仅限于±1g,选取 的数据比较少,如果利用全量程范围内的多个数据进行线性度测试,结果一定比本次测试结果的数值大。
6 结论
本文利用MEMS加速度传感器设计的加速度计测量范围为±5g,标度因数为400mV/g,具有体积小、结构简单,精度高的特点。且该加速度计的测量范围及标度因数均可以根据需求调 节,因此能很好地满足惯性器件中加速度测量的要求,在惯性测量和导航系统能得到较好的应用。
参考文献:
[1] Analog Devices.±5g to±50g,LowNoise, LowPower, Single/Dual Axis iMEMS Accelerometers ADXL150/ADXL250[Z].
[2] 杜美琪.加速度静态标定方法及设备[J].地震工程与工程振动,1996,16(2):127-133.
[3] 郝颖.微机械加速度计的测试与应用研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文,2002:13-31.
[4] 刘武发,蒋蓁,龚振邦.基于MEMS加速度传感器的双轴倾角计及其应用[J].传感器技术,2005,24(3):86-88.
[5] 钱朋安,吴仲城,戈瑜,等.一体化三轴线加速度计静态标定方法的研究[J].传感技术学报,2005,18(1):86-89.
作者简介:宋颖(1981-),女,江西峡江,硕士,研究方向为导航、制导与控制, 自动测试技术。
