使用加速度计测量温度变化和振动条件下的倾斜

问题：我的消费者加速度计理论上可以测量小于1°的倾斜度。在温度变化和振动条件下仍能达到这样的测量精度吗？答：答案可能是否定的。
由于MEMS传感器的性能需要考虑许多环境因素，因此始终很难回答清晰的倾斜精度值问题。通常，消费级加速度计在动态环境中很难检测到小于1°的倾斜。
为了说明这一点，我们将普通的消费者级加速度计与新一代的低噪声，低漂移和低功耗MEMS加速度计进行了比较。这种比较着眼于倾斜应用中存在的许多误差源，以及可以补偿或消除哪些误差。
您可以观察到0 g偏移精度，0 g因焊接引起的偏移漂移，0 g因PCB外壳对齐导致的偏移漂移，0 g偏移温度系数，灵敏度精度和温度系数，非线性以及水平轴灵敏度和其他误差，并且可以通过组装后校准过程来减少这些错误。磁滞，使用寿命内的0 g偏置漂移，使用寿命内的灵敏度漂移，湿度引起的0 g漂移以及温度随时间变化引起的PCB弯曲和扭曲等。
这些误差项无法通过校准或其他方法解决。它需要一定程度的现场维护以减少。
在此比较中，假设补偿了水平轴灵敏度，非线性和灵敏度，因为与温度系数偏移漂移和振动校正相比，使这些误差最小化所需的工作量要少得多。表1列出了消费级ADXL345加速度计的理想性能规格以及相应的倾斜误差的估计值。
当试图获得最佳的倾斜精度时，必须使用某种形式的温度稳定或补偿。在下面的示例中，假设恒定温度为25°C。
无法完全补偿的最重要的误差贡献因素是温度漂移，偏移漂移和噪声。由于倾斜应用通常需要低于1 kHz的带宽，因此可以减少带宽以降低噪声。
表1 ADXL345的误差源估计值。表2列出了适用于ADXL355的相同标准。
短期失调值是根据ADXL355数据手册中的Allan方差图估算的。在25°C时，一般ADXL345的补偿倾斜精度为0.1°，而工业ADXL355的补偿倾斜精度为0.005°。
通过比较ADXL345和ADXL355，可以看出由主要误差贡献因素引起的误差已大大降低。例如，由噪声引起的误差已从0.05°减小至0.0045°，而由偏移漂移引起的误差已从0.057°减小至0.00057°。
这表明MEMS电容式加速度计在性能（例如噪声，温度系数，失调和失调漂移）方面取得了巨大飞跃，并可以在动态条件下提供更高水平的倾斜精度。表2 ADXL355误差源估计值选择较高水平的加速度计对于实现所需的性能至关重要，尤其是在应用要求倾斜精度小于1°的情况下。
应用精度取决于应用条件（较大的温度波动，振动）和传感器的选择（消费者还是工业或战术）。在这种情况下，ADXL345将需要大量补偿和校准工作，以实现小于1°的倾斜精度，从而增加了整个系统的工作量和成本。
根据最终环境和温度范围内的振动幅度，不可能达到上述精度。 25°C至85°C范围内的温度系数偏移漂移为1.375°，已经超过了倾斜度小于1°的要求。
从25°C到85°C的ADXL355的温度系数偏移漂移为：如表3所示，振动校正误差（VRE）是加速度计暴露于宽带振动时引入的偏移误差。当加速度计暴露在振动环境中时，与温度漂移和噪声引起的0 g偏移相比，VRE会在倾斜测量中造成重大误差。
这是数据手册不再使用的主要原因之一，因为它很容易混淆其他主要规格。表3显示了斜率误差。
在具有较高幅度的环境中，必须使用具有较大g范围的加速度计，以最大程度地减少削波引起的偏移。表4列出了ADXL35x系列加速度计及其对应的g范围和带宽。
表4 ADXL354 / ADXL355 / ADXL356 / ADXL357的测量范围选择适合倾斜应用的ADXL35x系列加速度计将确保高稳定性。