MEMS加速计校准提升工业应用中的精度

由于要求综合误差小于1%，我们可以快速回顾一下商用的MEMS传感器的指标。例如，一款领先加速计应具有如下指标：

灵敏度：+950mV/g到+1050mV/g，等同于5%
偏移：30mg(典型值)，相当于3%(1g系统)
100mg(最大值)，相当于10%(1g系统)

本例中，校准过程中必须首要考虑偏移和灵敏度，因为这两者都超出了1%的综合误差目标。

用于低g加速计的一个可靠的校准源是重力。使用重力的最简单方法是通过采用IEEE-STD-1293-1998中所给出的行业标准跌落测试。该跌落测试中，将一个变化范围为+1g的激励施加到被测器件上(DUT)。

该低激励水平不能用于满刻度量程小于20g的加速计的跌落测试，因为所加的校准激励等于或大于满量程的5%。在该量程之外，线性度、分辨率、噪声和其他与量程相关的特性将变得更有影响力，阻止所期望的精度的实现。为了校准，满刻度量程允许4点跌落测试，而非多点跌落测试，但多点测试可以用于线性度误差的计算。

这里，DUT是竖直的。DUT的X轴指向0°倾斜的水平轴。记录DUT的X轴输出。然后将DUT分别旋转90°，180°和270°，记录每点的X轴输出，故对应四个测量位置。

图4：四点跌落数据输出

由于DUT被旋转，X轴的传感器输出将是倾斜角的正弦函数，如图4所示。实际曲线和理想曲线之差是由于加速计的偏移和灵敏度误差所导致。通过对每个90°旋转增量上的数据进行分析，这些行为可以被特性化并隔离出来。通过对0°和180°点上取平均可以计算出总的正弦曲线的偏移量。在从90°的数据点上减去270°点上的数据，即可得到重力所提供的1g激励的加速计输出的测量值。

这些关系的基础是0°，90°，180°，以及270°位置的精确对准。还取决于十足的1g激励的竖直方向上的精确对准。

由于追求“完美的”测量灵敏度既不实际也无法承受得起，而重要的是了解对每一个潜在误差(校准系统自身引入)的灵敏度如何。确定每一个误差的影响将会有助于降低违反关键性能准则的风险。

初始对齐角度绝对误差指的是起始位置误差。该起始位置误差将影响灵敏度，但不影响偏移。该影响可以被隔离而不影响其他的灵敏度，并且可以用下式描述：

对于1%的灵敏度误差，初始对齐误差必须小于8°。如果灵敏度误差更高，比如0.1%，则初始对齐误差就必须小于0.8°。然而，该绝对角误差对0°和180°两个位置上的影响是等同的，所以该对齐误差不影响偏移。这是采用4点测量方案的一个优点。一旦得到实际的偏移，即可计算出初始对齐误差：

如果灵敏度精度目标要求的话，可以将计算出的对齐误差代回上面的误差方程，并用来量化校准因子。这样，就消除了必须将初始起始角定于精确的0°的压力。

误差类型与计算

相对对齐误差：该误差被定义为每一个测量步进间与理想的90°步进值之间的偏差。偏移校准将对该误差有较高的灵敏度。可以利用下列关系式来计算有对齐误差引入的偏移误差：

对应于1%的偏移精度目标，或者说是1g量程应用中的10mg，对齐精度必须优于0.57°。而对于0.1%的偏移精度，或者说1mg，则相对对齐精度必须优于0.057°。尽管初始对齐误差角容易计算，但对于高精度的校准来说，相对角度灵敏度则要求严格的位置控制。

偏离轴向误差：偏离轴向误差指的是轴向相对于水平轴的变化总量。如果旋转设备完全垂直，则说明旋转轴是水平的。偏离轴向误差将影响灵敏度误差，其影响的方式与初始对齐的影响方法非常类似。

这里提醒要注意重力加速度变化，因为1g的外部激励未必是精确的1g。其影响恰恰是本地重力影响的2倍，另外还随着理论重力而变化，理论重力还受到纬度，海平面仰角，月亮-太阳重力波动以及附近的超大质量的影响。

机械振动：任何形式的振动都可以转换成为线形加速度，并为校准引入误差。采用花岗岩石块或空气隔离的桌面结构的机械隔离，将有助于降低误差，也可以采用数据滤波来消除振动引起的缺陷。

加速计灵敏度误差：影响加速计灵敏度特性的两个最重要的因素是电源电压和温度。在预期的电源和温度范围上，也可以采用四点跌落对加速计的行为进行特性化。线性逼近方案要求在每个参数的极限位置(最小和最大)上采集四点跌落数据。根据精度要求，这些数据可以被用来外推增量校正因数。如果发现非线性行为，可以增加更多的数据点，同时增加曲线拟合的阶数。 加速度计相关文章:加速度计原理