加速度計(jì)ADXL105的性能測(cè)試
前言
ADXL105是ANALOG DEVICES公司研制的單軸加速度測(cè)量系統(tǒng),具有模擬輸入、高性能、高準(zhǔn)確度的特點(diǎn)。ADXL105可以用在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中作為加速度計(jì),測(cè)量車輛的線加速度,再經(jīng)過兩次積分得到車輛的行駛距離。結(jié)合陀螺儀信息,獲取車輛的完整信息。ADXL105的集成度高、結(jié)構(gòu)簡單,只需一單片集成電路即可。其內(nèi)部包含一個(gè)多硅表面微處理傳感器和BIMOS信號(hào)控制電路,形成開環(huán)加速度測(cè)量結(jié)構(gòu)。
與其它加速度計(jì)比較起來,ADXL105可以在很大程度上提高工作帶寬,并大幅度降低噪聲影響,0g偏差和溫度漂移也相對(duì)較低。測(cè)量范圍為-5g~+5g;分辨率很高,可以分辨出低于2mg的加速度;產(chǎn)生一個(gè)模擬輸出電壓;既可以用來測(cè)量靜態(tài)加速度(如重力加速度,或斜坡加速度等),又可用來測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度(如振動(dòng)等);極低的功耗,只有2mΑ;最大可以容忍1000g的加速度;比例因子可調(diào)。
ADXL105工作原理
ADXL105傳感器是一個(gè)位于硅晶體表面的微處理多硅結(jié)構(gòu),以一個(gè)多硅線懸于晶體表面,用來形成一個(gè)阻礙加速度的力。用一個(gè)由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的固定板以及與運(yùn)動(dòng)體相連的中間板組成的差動(dòng)電容器來測(cè)量該結(jié)構(gòu)的偏斜。固定板由一個(gè)180°的反向方波來驅(qū)動(dòng)。由偏斜引起的加速度使得差動(dòng)電容器失衡,從而產(chǎn)生幅度與加速度成正比的方波輸出。然后采用相位解調(diào)技術(shù)校正信號(hào),來確定加速度的方向。
ADXL105校正
ADXL105的0g偏差及比例因子的初值在使用時(shí),都要求進(jìn)行直流校正。加速度較小時(shí),重力加速度的影響較穩(wěn)定,可以獲取準(zhǔn)確易用的參考值。將ADXL105水平放置在地表面上,此時(shí)加速度可以認(rèn)為是0g,輸出值即為加速度為0g時(shí)的輸出電壓,讀取它。將該加速度計(jì)旋轉(zhuǎn)90°,加速度為1g,讀取輸出值。再旋轉(zhuǎn)180°,加速度為-1g,讀取輸出值。
為了獲取比較準(zhǔn)確的靈敏度,可以采用以下公式：
靈敏度＝(1g讀數(shù)－(-1g 讀數(shù)))/2V/g
這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于軸上信號(hào)與角度cos成正比,因而加速度計(jì)沒有對(duì)齊帶來的誤差不是很大。比方說,如果有一個(gè)5°的方向偏差,測(cè)量結(jié)果只會(huì)產(chǎn)生0.4%的誤差。
加速度計(jì)的誤差補(bǔ)償
在我們的組合導(dǎo)航系統(tǒng)中,使用ADXL105加速度計(jì)來測(cè)量車輛的動(dòng)態(tài)線加速度。但就該加速度計(jì)本身而言,具有比較大的漂移速率,如果不加以補(bǔ)償,在測(cè)量的過程中就會(huì)帶來相當(dāng)大的誤差。
加速度計(jì)可以測(cè)量車輛運(yùn)行時(shí),沿著相互正交的X軸和Y軸的線加速度,其測(cè)量值中包括了重力加速度的成分,要加以補(bǔ)償。該加速度計(jì)的測(cè)量范圍為-5g~+5g。對(duì)應(yīng)于每個(gè)軸上的輸出為總加速度在每個(gè)軸上的與電壓成比例的分量。
該加速度計(jì)的誤差來源于以下幾個(gè)方面：
1)確定性誤差。恒定加速度條件下,偏離0電壓的固定值,以及溫度偏差。
2)比例因子誤差。輸出電壓的變化與輸入加速度的變化的比,既可以簡單表示成一個(gè)比例的形式,也可以表示成測(cè)量滿量程的百分比。
3)交叉耦合誤差。加速度計(jì)的輸出值的誤差,是由于加速度計(jì)對(duì)輸入軸的加速度極為敏感引起的。
4)隨機(jī)誤差。該誤差是由于加速度計(jì)的不穩(wěn)定性引起的。其中包括溫度偏差(由于溫度不穩(wěn)定而產(chǎn)生的。在室溫下,偏差范圍為-100mV~ +100mV)、內(nèi)部可調(diào)放大器的初始偏差(范圍為-25mV~+25mV)、0g偏差(-625mV~+625mV)等等。
確定性誤差的補(bǔ)償
在零加速度的條件下,輸出的理論電壓值應(yīng)該是2.5V。相應(yīng)的A/D值應(yīng)該是4096/10×2.5+2048=3072,而實(shí)際輸出是3270,差值為198,其中溫度偏差系數(shù)為8mV/℃,室溫下偏差值大約為25×8=200mV(82A/D)左右,這樣偏離理論值的量就為1
