加速度计ADXL105的性能测试
前言
ADXL105是ANALOG DEVICES公司研制的单轴加速度测量系统,具有模拟输入、高性能、高准确度的特点。ADXL105可以用在惯性导航系统中作为加速度计,测量车辆的线加速度,再经过两次积分得到车辆的行驶距离。结合陀螺仪信息,获取车辆的完整信息。ADXL105的集成度高、结构简单,只需一单片集成电路即可。其内部包含一个多硅表面微处理传感器和BIMOS信号控制电路,形成开环加速度测量结构。
与其它加速度计比较起来,ADXL105可以在很大程度上提高工作带宽,并大幅度降低噪声影响,0g偏差和温度漂移也相对较低。测量范围为-5g~+5g;分辨率很高,可以分辨出低于2mg的加速度;产生一个模拟输出电压;既可以用来测量静态加速度(如重力加速度,或斜坡加速度等),又可用来测量动态加速度(如振动等);极低的功耗,只有2mΑ;最大可以容忍1000g的加速度;比例因子可调。
ADXL105工作原理
ADXL105传感器是一个位于硅晶体表面的微处理多硅结构,以一个多硅线悬于晶体表面,用来形成一个阻碍加速度的力。用一个由两个相对独立的固定板以及与运动体相连的中间板组成的差动电容器来测量该结构的偏斜。固定板由一个180°的反向方波来驱动。由偏斜引起的加速度使得差动电容器失衡,从而产生幅度与加速度成正比的方波输出。然后采用相位解调技术校正信号,来确定加速度的方向。
ADXL105校正
ADXL105的0g偏差及比例因子的初值在使用时,都要求进行直流校正。加速度较小时,重力加速度的影响较稳定,可以获取准确易用的参考值。将ADXL105水平放置在地表面上,此时加速度可以认为是0g,输出值即为加速度为0g时的输出电压,读取它。将该加速度计旋转90°,加速度为1g,读取输出值。再旋转180°,加速度为-1g,读取输出值。
为了获取比较准确的灵敏度,可以采用以下公式：
灵敏度＝(1g读数－(-1g 读数))/2V/g
这样做的优点在于轴上信号与角度cos成正比,因而加速度计没有对齐带来的误差不是很大。比方说,如果有一个5°的方向偏差,测量结果只会产生0.4%的误差。
加速度计的误差补偿
在我们的组合导航系统中,使用ADXL105加速度计来测量车辆的动态线加速度。但就该加速度计本身而言,具有比较大的漂移速率,如果不加以补偿,在测量的过程中就会带来相当大的误差。
加速度计可以测量车辆运行时,沿着相互正交的X轴和Y轴的线加速度,其测量值中包括了重力加速度的成分,要加以补偿。该加速度计的测量范围为-5g~+5g。对应于每个轴上的输出为总加速度在每个轴上的与电压成比例的分量。
该加速度计的误差来源于以下几个方面：
1)确定性误差。恒定加速度条件下,偏离0电压的固定值,以及温度偏差。
2)比例因子误差。输出电压的变化与输入加速度的变化的比,既可以简单表示成一个比例的形式,也可以表示成测量满量程的百分比。
3)交叉耦合误差。加速度计的输出值的误差,是由于加速度计对输入轴的加速度极为敏感引起的。
4)随机误差。该误差是由于加速度计的不稳定性引起的。其中包括温度偏差(由于温度不稳定而产生的。在室温下,偏差范围为-100mV~ +100mV)、内部可调放大器的初始偏差(范围为-25mV~+25mV)、0g偏差(-625mV~+625mV)等等。
确定性误差的补偿
在零加速度的条件下,输出的理论电压值应该是2.5V。相应的A/D值应该是4096/10×2.5+2048=3072,而实际输出是3270,差值为198,其中温度偏差系数为8mV/℃,室温下偏差值大约为25×8=200mV(82A/D)左右,这样偏离理论值的量就为1
