Исследование нестабильности выходного сигнала датчика
МЭМС датчики используются в системах ориентации, навигации и управления движением транспортных средств. Стабильность используемой электроники, в совокупности с цифровыми методами обработки сигнала, позволяет улучшить основные параметры датчиков. В статье описано исследование нестабильности датчика ТГ-100 при механических, температурных, длительных статических воздействиях
В данной статье описаны результаты исследования нестабильности выходного сигнала МЭМС-датчика угловой скорости (ДУС) ТГ-100 в следующих условиях:
• воздействие температурного градиента (от минус 50 до +85 °С);
• воздействие внешних факторов (линейное ускорение, широкополосная случайная вибрация, циклический перепад температур);
• длительная статическая запись выходного сигнала датчика;
• оценка нестабильности смещения нуля от включения к включению.
1. Оценка нестабильности выходного сигнала ТГ-100 при воздействии температурного градиента
Выявление температурного дрейфа датчика является неотъемлемой частью анализа стабильности датчика. Испытания проведены в диапазоне температур окружающей среды от минус 50°С до +85°С. Выходные сигналы с датчикаТГ-100 выводятся в аналоговом виде, поэтому для съема сигнала применялся АЦП National Instruments NI USB-6252. Частота дискретизации – 1000Гц. Разрешение АЦП 16 бит. Для задания температуры окружающей среды использована камера тепла-холода ESPEC MC-811T. На рисунке ниже представлен график зависимости выходного сигнала ТГ-100 от времени при изменении температуры окружающей среды.
По графику можно оценить нестабильность смещения нуля ДУС при изменении температуры от минус 50 до +85 °С составляет менее 3.5°/с.
Далее обработаем полученные выходные данные ДУС с помощью фильтра низких частот Баттерворта второго порядка, частота среза фильтра составляет 1 Гц.
Запись выходного сигнала при изменении температуры
В составе ДУС ТГ-100 присутствует температурный датчик, который так же выдает данные в аналоговом виде. Преобразование его выходного сигнала в градусы цельсия проводится по формуле из технического описания температурного датчика:
T=(data – 1,8663)/(-11,69*10-3)
data -данные с датчика [В];
T – температура окружающей среды [°С].
Построим зависимость выходного сигнала ДУС от данных температурного датчика. Полученный график приведён на рисунке.
Из графика видно, что зависимость смещения нуля от температуры носит преимущественно линейный характер.
Поэтому для компенсации температурного дрейфа выходного сигнала ДУС воспользуемся аппроксимацией полиномом первого порядка по формуле:
Зависимость вых. сигнала от данных температурного датчика
δU=a∙T+b
a, b – коэффициенты зависимости;
δU – выходной сигнал ДУС;
T – температура окружающей среды.
На рисунке ниже приведена зависимость выходного сигнала ТГ-100 от изменения температуры окружающей среды после аппроксимации.
Анализируя зависимость на графике видно, что зависимость всё еще сохраняется и носит нелинейный характер. Для улучшения компенсации используем полином третьего порядка:
δU2=a2∙T3+b2∙T2+c2∙T+d2
a2, b2, с2, d2 – постоянные коэффициенты зависимости;
δU2 – выходной сигнал ДУС;
T – температура окружающей среды.
Зависимость вых. сигнала от изменения температуры после аппроксимации полиномом первого порядка
На основе данных после аппроксимации построим зависимость от изменения температуры окружающей среды.
Из графиков видно, что компенсация температурной погрешности ДУС (смещения нуля) позволяет уменьшить дрейф смещения нуля в диапазоне рабочих температур до ±0.08°/с. Результаты данного эксперимента использованы при модификации ТГ-100.
Зависимость вых. сигнала от изменения температуры после аппроксимации полиномом третьего порядка
2. Оценка нестабильности выходного сигнала ДУС при воздействии внешних факторов
Во время эксплуатации датчик испытывает воздействие, температуры, вибрации, линейных ускорений. Стойкость ДУС к этим внешним воздействиям является одной из важнейших характеристик датчика.
Оценка нестабильности выходного сигнала ДУС при действии внешних факторов проведена в следующих режимах:
• температурные циклы от 0°С до +50°С со скоростью изменения температуры 2 °/мин (5 циклов);
• воздействие линейного ускорения величиной 200g по трем осям в течение 3 минут;
• воздействие широкополосной случайной вибрации амплитудой 12g в диапазоне частот от 100 до 2000 Гц по трем осям.
Результаты испытаний после каждого воздействия (включая референсную запись до испытаний) показаны на рисунке ниже. Приведён график выходного сигнала ТГ-100 в зависимости от температуры до воздействий и график выходного сигнала в зависимости от температуры после каждого воздействия соответственно. Выходной сигнал ДУС обозначен синим цветом, граница ±30°/ч красным и желтым цветом соответственно на каждом из графиков.
Выходной сигнал ТГ-100 в зависимости от изменения температуры
На рисунке приведены графики зависимости выходного сигнала ТГ-100 в зависимости от температуры (0°С до +50°С), со скоростью изменения температуры 2°/мин:
а) выходной сигнал ТГ-100 в зависимости от изменения температуры до воздействий;
б) выходной сигнал ТГ-100 в зависимости от изменения температуры после воздействий линейного ускорения (200g, длительность 3 мин, по трём осям);
в) выходной сигнал ТГ-100 в зависимости от изменения температуры после воздействия температурных циклов (диапазон от 0°С до +50°С, скорость изменения температуры 2 °/мин, 5 циклов);
г) выходной сигнал ТГ-100 в зависимости от изменения температуры после воздействия широкополосной случайной вибрации (амплитуда 12g, диапазон частот от 100 до 2000 Гц, по трём осям).
Во время воздействия линейного ускорения, температурных циклов, широкополосной случайной вибрации питание на датчик не подавалось. Проведенные исследования показали, что смещение нуля ТГ-100 после комплекса внешних воздействий не превысило ±30°/ч.
3. Оценка нестабильности выходного сигнала ДУС при длительной статической записи
В процессе эксперимента датчик закреплён на оптической скамье (металлическая станина, установленная на развязанном фундаменте) для минимизации внешних воздействий. Температура окружающей среды в процессе эксперимента составила 23°С. Запись выходного сигнала ТГ-100 проводилась в течение 8 часов. Для оценки случайных погрешностей датчика воспользуемся вариацией Аллана, которая позволяет оценить источник ошибки и величину её вклада. На рисунке ниже показана диаграмма Аллана построенная на основе записанных данных.
Шум, возникающий в электронных компонентах датчика, подверженных случайному т.н. “мерцанию” (“flickering”). Имеет спектральную мощность, пропорциональную 1/f (розовый шум). Фликер-шум (нестабильность смещения нуля) является оценочной характеристикой стабильности и составляет в данном случае 0.7 °/ч.
Дрейф угла – основная шумовая компонента в выходных данных МЭМС-датчиков. Представляет собой компоненту аддитивного белого шума, проявляется в отклонении значений от ожидаемых случайным образом;
Диаграмма Аллана датчика ТГ-100
влияет на результат интегрирования (для преобразования измеряемой датчиком угловой скорости в угол поворота). Значение дрейфа угла ТГ-100 составляет 0.052◦/√ч.
Дрейф угловой скорости имеет накопительный характер и чем дольше запись по времени, тем больше будет по значению эта характеристика. Это характеристика показывает случайное блуждание измеряемых датчиком физических величин, таких как угловая скорость, ускорение, изменение температуры окружающей среды, или изменение температуры электроники в результате «прогрева».
4. Оценка нестабильности смещения нуля от включения к включению
Оценка нестабильности смещения нуля от включения к включению проводилась при фиксированной температуре +25°С в камере тепла-холода, датчик был закреплен в неподвижном состоянии. Запись выходного сигнала проводилась в течение 10 минут с паузами 2 часа. Питание на ДУС подавалось только во время записи сигнала. Всего было сделано 10 циклов записи выходного сигнала.
В результате испытаний получен график зависимости выходного сигнала ДУС от времени. На графике отображены отдельные записи ДУС (разными цветами 10 циклов) с указанием времени, которое выдержано относительно первой записи.
Циклы записи выходного сигнала ДУС
Выходной сигнал ДУС от включения к включению после «прогрева», 10 записей выходного сигнала
По рисунку можно оценить СКО нестабильности смещения нуля от включения к включению на основе 10 проведённых циклах, «прогрев» датчика не учитывается. СКО нестабильности смещения нуля не превысило 28°/ч.
Выводы
Проведенные исследования показали высокую стойкость ТГ-100 к внешним воздействиям, хорошую повторяемость нуля (в том числе при воздействии внешних факторов), а также необходимость компенсации температурного дрейфа нуля:
• изменение смещения нуля в диапазоне температур минус 50°С до +85°С не превышает ±0.08°/с при использовании температурной компенсации;
• нестабильность смещения нуля после внешних воздействий (линейное ускорение 200g по трем осям, широкополосная случайная вибрация с СКО 12g в диапазоне частот от 100 до 2000 Гц по трем осям, 5 температурных циклов от 0°С до +50°С со скоростью изменения температуры 2 °/мин) не превышает ±30°/ч;
• нестабильность смещения нуля в запуске (по диаграмме Аллана) составляет 0.7°/ч, случайное угловое блуждание 0.052°/√ч;Ъ
• нестабильность смещения нуля после включения во время «прогрева» не превышает 440°/ч;
• нестабильность смещения нуля от включения к включению (после «прогрева») не превышает 28°/ч (СКО).
На этом канале мы публикуем: кейсы (наши статьи и исследования); информацию о продуктах (модификации и новинки); отвечаем на часто задаваемые вопросы и другие анонсы.
