Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PCBway
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania: żyroskop w zmiennej temperaturze i wibracjach

ghost666 15 Paź 2017 13:20 1314 0
  • Rzadko zadawane pytania: żyroskop w zmiennej temperaturze i wibracjach
    Pytane: Wykorzystywany przeze mnie akcelerometr mierzyć może kąt poniżej jednego stopnia. Czy tak precyzyjne pomiary można zrealizować także w szerokim zakresie temperatur i w obecności wibracji w systemie.

    Odpowiedź: Najpewniej, niestety, krótka odpowiedź na to pytanie brzmi 'nie'. Aby oszacować finalną, realną precyzję pomiaru kąta trzeba pod uwagę wziąć wiele czynników środowiskowych. Typowe akcelerometry i żyroskopy MEMS, jakie dostępne są komercyjnie, mają poważny problem z osiąganiem precyzji na poziomie 1° i lepiej w rzeczywistych warunkach, obecności wibracji i przy zmianach temperatury pracy. Porównajmy błędy pomiarów tych układów z najlepszymi, dostępnymi obecnie w handlu modułami MEMS i zobaczmy o ile da się poprawić parametry układu pomiarowego.

    Błędy takie jak błąd polaryzacji przy zerowym przyspieszeniu, nieprawidłowy montaż na PCB, owocujący przesunięciem osi względem PCB, współczynnikami temperaturowymi (w funkcji temperatury zmienia się tak czułość jak i liniowy błąd w zerze), nieliniowością, przesłuchami pomiędzy osiami etc mogą zostać zredukowane, dzięki kalibracji układu po jego montażu. Jednakże inne źródła błędu, takie jak histereza, dryft błędów i czułości w czasie, dryft pomiaru spowodowany wilgotnością czy naprężeniami w płytce drukowanej spowodowanymi wariacjami temperatury na jej powierzchni nie mogą być wyeliminowane z pomocą kalibracji i trzeba je po prostu uwzględnić w całkowitym błędzie mierzonej wartości.

    W poniższym przykładzie zakładamy, że przesłuchy pomiędzy osiami, nieliniowość układu i fluktuacje czułości elementu są skompensowane, jako że nie wymagają one zbyt skomplikowanych zabiegów, aby zminimalizować ich dryft w funkcji temperatury czy wibracji.

    W poniższej tabeli zaprezentowano parametry akceleratora ADXL345, w idealnych warunkach i wynikający z nich błąd określania kąta. W momencie gdy chcemy możliwie precyzyjnie zmierzyć kąt tego rodzaju układem, koniecznie trzeba ustabilizować układ termicznie lub kompensować zmianę jego parametrów w funkcji temperatury. W przypadku zaprezentowanym w poniższej tabeli zakłada się stała temperaturę równą 25°C. Największy wkład w błąd, jaki nie może zostać skompensowany, to offset w funkcji temperatury, dryft polaryzacji i szum. Jeśli zredukujemy pasmo pomiaru, to możemy zmniejszyć poziom szumu, ale ogranicza to prędkość pomiaru. W przypadku precyzyjnych pomiarów kąta najczęściej spotyka się z pasmem poniżej 1 kHz.

    Parametr układuPrzykładowa wartośćWarunki pomiaruTypowe przyspieszenieBłąd pomiaru kąta w aplikacji końcowej
    SzumOsie X/Y, 290 µg/√(Hz)Pasmo pomiaru równe 6,25 Hz0,9 mg0,05°
    Dryft polaryzacjiOdchylenie AllanaKrótkoterminowo, na przykład do 10 dni1 mg0,057°
    Początkowy offset35 mgBez kompensacji35 mg
    Początkowy offset35 mgZ kompensacją0 mg
    BłądBrak kompensacjiPasmo pomiaru równe 6,25 Hz36,9 mg2,1°
    BłądBrak kompensacjiPasmo pomiaru równe 6,25 Hz1,9 mg0,1°


    Aby uzyskać żądaną precyzję pomiaru koniecznie wybrać trzeba akcelerometr o odpowiednio wysokich parametrach, szczególnie w aplikacji, która wymaga pomiaru kąta z dokładnością poniżej jednego stopnia. Dokładnie to jaki element musimy wybrać silnie zależy od warunków pracy układu (zakres temperatur, obecność wibracji) czy naszych możliwości finansowych (układy komercyjne czy dedykowane moduły IMU etc). W przypadku układu ADXL345, aby uzyskać precyzję pomiaru poniżej jednego stopnia, konieczne jest dodanie wiele elementów pozwalających na kompensację w funkcji temperatury itp. Istotnie komplikuje to poziom układu, a może nie dać potrzebnych rezultatów. Na przykład w zakresie temperatur pracy od 25°C do 85°C sam dryft offsetu układu przekłada się na 1,375° błędu pomiarowego kąta, co już przekracza założoną wartość 1°C.

    $$0,4 \frac {mg} {C} \times \frac {1^{\circ}} {17,45 mg} \times (85^{\circ}C - 25^{\circ}C) = 1,375^{\circ}$$ (1)


    Z kolei dla układu ADXL355 dryft offsetu w tym samym zakresie temperatur jest istotnie mniejszy i wynosi:

    $$0,15 \frac {mg} {C} \times \frac {1^{\circ}} {17,45 mg} \times (85^{\circ}C - 25^{\circ}C) = 0,5^{\circ}$$ (2)


    Jeśli z kolei chodzi o wpływ wibracji na błąd (VRE) to dane dotyczące tego parametru zebrano w poniższej tabeli. Prezentowany jest tam maksymalny offset dla układu wystawionego na szerokopasmowe wibracje. Gdy nasz układ wystawiony jest na wibracje, to im większy VRE tym większy wpływ na błąd pomiaru będą miały wibracje. Jest to jeden z najistotniejszych parametrów, który będzie miał wpływ na nasz pomiar - może on bez problemu popsuć precyzję dowolnego układu pomiarowego, niezależnie od tego jak dobrze wygląda na karcie katalogowej.

    Maksymalny offset błędu pomiaru przy wartości 0g w funkcji temperatury (°/°C)Gęstość spektralna szumu (°/√(HZ)Wpływ wibracji (°/g²rms)
    ADXL3540,00850,00110,023
    ADXL3550,00850,00140,023


    W środowisku z większą amplitudą wibracji, bardzo dobrze dobrać jest układ, który charakteryzuje się wyższym zakresem pomiarowym, co minimalizuje przesterowanie układu pomiarowego. W poniższej tabeli zebrano zakresy pomiarowe dla układów z rodziny ADXL35x oraz możliwe pasmo ich pomiaru.

    ElementZakres pomiarowy (g)Pasmo pomiaru (kHz)
    ADXL354B±2, ±41,00
    ADXL354C±2, ±81,00
    ADXL355B±2, ±4, ±81,50
    ADXL356B±10, ±201,50
    ADXL356C±10, ±401,50
    ADXL357B±10,24, ±20,48, ±40,961,00


    Jeśli chcemy z rodziny tych elementów wybrać układ do precyzyjnego pomiaru kąta, który charakteryzować ma się wysoką niezawodnością i być odpornym na fluktuacje parametrów podczas zmian temperatury i w obecności szerokopasmowych wibracji to musimy dokonać precyzyjnego wyboru. Jeśli wybierzemy układ o odpowiednio dużym zakresie pomiarowym i jednocześnie zapewnimy mu odpowiedni poziom kompensacji dryftu parametrów to można to bez problemu zrealizować. Układy te są niedrogie, a dodatkowo układy te, dzięki szczelnej obudowie zapewniają precyzyjne i powtarzalne pomiary. Dzięki temu, że układy te są już fabrycznie skalibrowane nie ma potrzeby kalibrować ich po instalacji w docelowym środowisku.

    Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-144.html

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9411 postów o ocenie 7057, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • PCBway