高精度の傾斜/角度検知の最適化：ベースラインパフォーマンスの確立

このシリーズのパート1では、3軸高精度MEMS加速度計の内部構造を確認しました。この2番目の記事では、ベースラインパフォーマンスを確立するための適切な開始データセットを取得する方法を確認し、後続のデータ分析で予想されるノイズレベルの種類を検証します。

加速度計のアナログ出力は、データ分析のために任意のアナログデータ取得システムに接続できますが、メーカーは、既存の組み込みシステムでのプロトタイピングを容易にするために、顧客システムに直接配置するように最適化された評価ボードを提供することがよくあります。この記事の説明のために、スモールフォームファクター評価ボードEVAL-ADXL35xを使用しました。データのロギングと分析のために、EVAL-ADXL35xをSDP-K1マイクロコントローラーボードに接続し、Mbed環境を使用してプログラムしました。 Mbedは、ARMベースのマイクロコントローラーボード用のオープンソースで無料の開発環境です。オンラインコンパイラがあり、開発者はすぐに始めることができます。 SDP-K1ボードは、PCに接続すると、外付けドライブとして表示されます。ボードをプログラムするには、コンパイラによって生成されたバイナリファイルをSDP-K1ドライブにドラッグアンドドロップするだけです。 ^3、4

MbedシステムがUARTを介してデータをログに記録すると、加速度計の実験を試し、データのログ記録とさらなる分析のために出力を単純な端末にストリーミングするための基本的なテスト環境ができました。加速度計の出力データレートに関係なく、Mbedコードは2Hzのレジスタのみをログに記録することに注意してください。 Mbedではこれよりも高速なロギングが可能ですが、この記事の範囲外です。

優れた開始データセットは、ベースラインパフォーマンスを確立し、その後のほとんどのデータ分析で予想されるノイズレベルの種類を検証するのに役立ちます。 PanaVise関節式バイスアームの使用 ⁵ 吸盤マウントが付いているので、ガラスの作業面にくっつくので、ベンチのセットアップで適度に安定した作業面が可能になります。 ADXL355ボード（側面から保持）は、この構成のラボベンチトップと同じくらい安定しています。より高度なパワーユーザーは、このバイスマウントには転倒運動のリスクがあることに気付くかもしれませんが、重力に対して向きを変えることができるシンプルで費用効果の高い方法です。図1に示すように、ADXL355ボードをマウントに配置すると、最初の分析のために60秒間のデータセットがキャプチャされます。

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図2.EVAL-ADXL35x、SDP-K1、およびPanaViseマウントを使用したセットアップのテスト。 （出典：Analog Devices）

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図2.ローパスフィルターなしのADXL355データ（レジスター0x28 =0x00）、1分以上取得。 （出典：Analog Devices）

120個のデータポイントを取得して標準偏差を測定すると、800μg g の範囲のノイズが示されます。 〜1.1 m g 。データシートのADXL355の一般的なパフォーマンス仕様から、ノイズ密度は25 µ g と記載されています。 /√Hz。デフォルトのローパスフィルター（LPF）設定では、加速度計の帯域幅は約1000Hzです。その場合、ノイズは25 µ g になると予想されます。 /√Hz×√1000Hz=791 µ g rms、レンガ壁フィルターを想定。この最初のデータセットは、最初のスニフテストに合格します。正確に言うと、ノイズスペクトル密度からrmsノイズへの変換には、デジタルLPFに無限のロールオフ（つまり、ブリックウォールフィルター）がないという事実を表す要素が必要です。単純なRC単極20dB /ディケードロールオフに1.6倍の係数を使用するものもありますが、ADXL355デジタルローパスフィルターは単極RCフィルターではありません。いずれにせよ、係数を1〜1.6と仮定すると、少なくともノイズの予想に対する正しい近似値が得られます。

多くの高精度センシングアプリケーションでは、1000Hzは測定される信号に対して帯域幅が広すぎます。帯域幅とノイズの間のトレードス​​ペースを最適化するために、ADXL355にはオンボードのデジタルローパスフィルターがあります。次のテストでは、LPFを4 Hzに設定します。これにより、ノイズが√1000/√4≈16の係数で正味減少するはずです。これは、図3に示す単純な構造を使用してMbed環境で簡単に実行されます。 、データを図4に示します。 ⁶ フィルタリング後、予想通りノイズが明らかに低下しました。これを以下の表1に示します。

図3.レジスタを構成するためのmbedコード。 （出典：Analog Devices）

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図4.1分かけて取得したLPFを4Hz（レジスタ0x28 =0x08）に設定したADXL355データ。 （出典：Analog Devices）

表1.ADXL355の予想および測定されたノイズ（出典：アナログデバイセズ）

NoiseXYZ理論的
（μg）測定済み
（μg）理論的
（μg）測定済み
（μg）理論的
（μg）測定済み
（μg）フィルターなし79192379111397918054 Hzフィルター5058501855063

表1は、現在の設定でのy軸のノイズが理論で予想されるよりも高いことを示しています。考えられる原因を調査した後、追加のラップトップおよびその他の実験装置のファンの振動が、y軸にノイズとして現れる可能性があることに気付きました。これをテストするために、バイスを回転させてx軸をこのテスト用のy軸の位置に配置し、ノイズの多い軸がx軸に移動しました。その場合、軸間のノイズの違いは計装ノイズであり、加速度計の軸全体のノイズレベルの本質的な違いではないように見えます。このタイプのテストは、事実上、低ノイズ加速度計の「Hello World」テストであるため、さらなるテストに自信を持っていただけます。

熱衝撃がADXL355にどの程度の影響を与えるかを把握するために、熱風ガンを使用しました ⁷ 加速度計に熱応力を加えるために、クーラーエアモード（実際には室温より数度高い温度）にします。温度は、ADXL355のオンボード温度センサーを使用して記録されます。実験では、万力を使用してADXL355を垂直に配置し、エアガンがパッケージの上部に空気を吹き付けることができるようにしました。この実験の期待される結果は、ダイが熱くなるとオフセットの温度係数が現れることですが、熱応力の差はほぼ瞬時に現れます。言い換えると、個々の検出軸が差動熱応力に敏感である場合、加速度計の出力にバンプが見られると予想されます。静かなときにデータから平均値を削除すると、3つの軸すべてを同時に簡単に比較できます。結果を図5に示します。

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図5.クール設定でホットエアガンを使用したADXL355熱衝撃データ。 （出典：Analog Devices）

図5に示すように、エアガンは、環境に対して密閉されたセラミックパッケージにわずかに暖かい空気を吹き付けていました。これにより、約1500μ g z軸のシフト、y軸のシフトの量ははるかに少ない（おそらく〜100 µ g ）、およびx軸のシフトは実質的にありません。多くのエンドカスタマー製品は、PCBの上部に差動熱応力を分散するエンクロージャーを備えていますが、この単純なテストで見られるように、オフセットエラーとして現れる可能性のあるこれらのタイプの高速過渡応力を考慮することが重要です。

図6は、熱風ガンが遮断されたときの反対の極性効果を示しています。

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図6.t =240秒でエアガンが停止したADXL355熱衝撃。 （出典：Analog Devices）

この効果は、エアガンを加熱設定で使用するとさらに顕著になります。つまり、温度ショックの大きさが大きい場合です。ウェラーエアガンからの出力は約400°Cであるため、過熱や熱衝撃による損傷を防ぐために、距離を置いて適用することが重要です。このテストでは、ADXL355から約15 cmのところに熱風が吹き付けられ、図7に示すように、ほぼ瞬時に約40°Cの温度ショックが発生しました。

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図7.熱風ガンによるADXL355熱衝撃。 （出典：Analog Devices）

熱衝撃の量は非常に強いですが、この実験でz軸がx軸およびy軸よりもどれだけ速く応答するかを確認することは依然として印象的です。データシートからのオフセット温度係数を使用し、温度が40°Cシフトすると、約100 µg g が観測されると予想されます。 /°C×40°C =4 m g x軸とy軸が最終的に表示し始めるシフト。ただし、ほぼ瞬時に10 m g z軸のシフトは、これが温度によるオフセットシフトではなく、処理されている別の効果であることを示しています。これは、センサーの熱応力/ひずみの差の結果であり、この記事で前述したように、このセンサーはxおよびyよりも差応力に敏感であるため、z軸で最も明確に見られます。

ADXL355（オフセット温度係数）のオフセットの一般的な温度係数は、±100 µ g で指定されています。 データシートの/°C。オフセット温度係数はオーブン内の加速度計で測定されるため、ここで使用されるテスト方法を理解することが重要です。オーブンはセンサーの温度範囲をゆっくりと上昇し、オフセットの傾きが測定されます。典型的な例を図8に示します。

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図8.ADXL355のオーブンベースの温度特性。 （出典：Analog Devices）

このプロットには2つの効果があります。 1つは、データシートで特徴付けられ、文書化されているオフセットtempcoです。これは、オーブンが5°C /分で温度を上昇させますが、ソーク時間なしで、–45°Cから+ 120°Cまでの多くの部品の平均値として解釈できます。これは、図9と同様のプロットから導き出され、約18 m g を呼び出します。 165°C以上、または約109 µ g /°C。これは、通常の値である100 µ g からわずかに外れています。 /°Cですが、データシートで指定されている最小範囲と最大範囲内です。ただし、デバイスは120°Cで約15分間浸り続けるため、図9の右側を検討してください。デバイスが高温になると、オフセットシフトの実際の量が減少して改善されます。この場合、平均値は10 m g に近くなります。 165°C以上または約60µ g /°Cオフセット温度係数。次に、センサープルーフマスがシリコンデバイス全体の温度で安定し、応力が減少するため、2番目の効果は熱応力の差です。これは、図6から図8に示すエアガンのテストで見られる効果であり、この効果は、データシートに記載されている長期オフセット温度よりも速い時間スケールで機能することを理解することが重要です。これは多くのシステムにとって価値がある可能性があり、全体的な熱力学のために、5°C /分よりもはるかに遅いランプになる可能性があります。

このシリーズのパート3では、安定性に影響を与える他の事実を調査し、3軸高精度MEMS加速度計の全体的なパフォーマンスを向上させるための機械システム設計の推奨事項を提供します。

参考資料

¹ クリスマーフィー。 「アプリケーションに最適なMEM加速度計の選択—パート1」 Analog Dialogue、Vol。 51、No。4、2017年10月。

² クリスマーフィー。 「加速度計の傾きは、温度と振動の存在下で測定されます。」アナログダイアログ、2017年8月。

³ SDP-K1評価システム。 Analog Devices、Inc。

⁴ Mbed：SDP-K1のユーザーガイド。 Analog Devices、Inc。

⁵ PanaVise関節式アームマウント。 PanaVise。

⁶ Mbedコード。 Analog Devices、Inc。

⁷ ウェラー6966C加熱/冷却エアガン。ウェラー。

⁸ パリレン。ウィキペディア。