加速度传感器的温度补偿

MEMSIC Inc 09 29 2003 Page 1 of 5 应 用 资 料应 用 资 料 AN 00MX 002 CN 热电耦加速度传感器的温度补偿 热电耦加速度传感器的温度补偿 简简 介介 MEMSIC 热电耦加速度传感器体积极小 内部集成了 混合信号处理电路 传感器基于热对流原理工作 由于 没有移动部件 它的工作性能可靠 同所有其他的热电耦加速度传感器一样 MEMSIC 器 件的灵敏度和零点漂移将随着器件工作环境的温度的 变化而发生变化 但是 这个变化是有规律的 器件的灵敏度随着温度的升高而减小 零点漂移随着温 度的变化升高或者减小 因为这些变化都是有固定规律 可寻的 所以用户可以通过很多的方法来对这些由温度 引起的偏差进行补偿 在这个资料中 很多补偿方法都 会介绍 比如 用热敏电阻的模拟电路补偿法 用内置 温度传感器和微控制器的数字补偿法 在最后 对各种 补偿方法进行了比较 温度对灵敏度的影响温度对灵敏度的影响 每一个系列的热电耦加速度传感器的灵敏度具有相同 的温度变化特性 温度传导的物理规律决定了灵敏度的 特性 制造上的差异对它没有影响 不同的两个器件之 间灵敏度随温度变化的特性都是相同的 灵敏度变化的 规律可以由以下方程来描述 比如 MXA2500AL 参考 图 1 67 2 67 2 ffii TSTS 图 1 热电耦加速度传感器的灵敏度 温度曲线 其中 Si 是在任何初始温度 Ti 如 25 C 时 时的灵敏 度而 Sf 是在任何最终温度 Tf 时的灵敏度 温度单位 为绝对温度 K 通过方程可知 在 40oC 时器件的灵敏 度是 25 oC 时的两倍 而 85 oC 时又是 25 oC 时的一半 不同系列器件方程里面 T 的指数会有些差异 比如极低 噪声系列器件的指数是 2 90 而不是 2 67 对于那些可以接收灵敏度有百分之几变化的应用领域 上述的公式可以用一个线性函数来近似 用这种近似的 方法 通过一个有 0 9 C 增益的外部电路 可以将 灵敏度的变化限制在5 以内 以室温时的灵敏度为基 准 温度从0 C变化到 50 C 对于性能要求比较高的 应用 可以用一个低价位的MCU来完成以上公式的计 算 需要参考方案 采用Microchip 16F873 04 SO MCU 的客户可以与MEMSIC联系 采用这一参考方案 在满 量程温度范围内 灵敏度的变化将被限制在1 以内 请浏览MEMSIC网站 您可以获得与之 相关的详细资料 温度对零点漂移的影响温度对零点漂移的影响 同所有其他的加速度测量技术一样 每个 MEMSIC 器 件都有一个特定的零点温漂特性 每个应用方案可接受 的零点温漂值各不相同 标准的 MEMSIC 器件的温漂 系数是 2mg oC 新型的低噪声器件温漂系数小于 1mg oC 器件的零漂大小和极性符合统计规律 可以 用如下方程进行描述 Z a b T c T2 其中 Z 是在任何温度 T 下的零点漂移 a b c 是每 个加速度传感器的特性参数 图 2 典型零点漂移 温度变化曲线 在很多应用方案中需要器件有一个可以接受性能 一种 线性近似的方法可以帮你达到这个要求 也就是仅仅使 MEMSIC Inc 09 29 2003 Page 2 of 5 应 用 资 料应 用 资 料 AN 00MX 002 CN 用参数 a 和 b 这种逼近法只需要测量两个温度下的零 点漂移 零点漂移的温度补偿就被简化了 每个应用方案都需要在性能和价格之间找到一个折中 点 在一些设计中间 要花费额外的费来找到低价格加 速度传感器的变化参数 这样还是可以找到有效的解决 方法 用热敏电阻补偿灵敏度的方法用热敏电阻补偿灵敏度的方法 一种可行的方法是在输入电路中间加入利用外置的温 度传感器或者热敏电阻实现的放大电路 图 3 受控热电耦反馈电路 热敏电阻很容易实现正或者负的温度补偿系数 PTC 和 NTC NTC 热敏电阻的通常要比 PTC 的便宜 象图 3 中那样使用 NTC 热敏电阻 简单 廉价的电路可以用 来进行灵敏度补偿 NTC 热敏电阻非线性特性同加速度传感器灵敏度非线 性特性稍有不同 电阻 R1 R2 调节输入电路的阻值使 它接近加速度传感器灵敏度的特性 为了得到最优的补偿 不同的 NTF 需要合适的输入电 路 用分立器件很难得到最优电路 我们可以用程序模 拟的方法实时监测在不同温度下电路的特性 从而找出 最优的输入电路 结果我们可以用这种简单的方法得到成本和性能的最 优化 在很多应用中 10 的误差是可以接受的 注意 这里的误差是占指读数的百分比 而不是占量程的百分 比 比如 在一个应用中用了量程为 2g 器件 在输入为 100mg 时 10 的灵敏度变化使它变为 110mg 10mg 的 变化仅仅是量程的 0 25 热敏电阻对灵敏度进行温度补偿电路简单 成本低 图 4 使用不同热敏电阻补偿的比较 温度引起的零点漂移变化 温度引起的零点漂移变化 同其他加速度传感器技术一样 MEMSIC 加速度传感 器零点漂移具有随温度变化的特性 在不同的应用领域 中 对漂移的要求是不同的 标准的 MEMSIC 器件的 变化量为 2mg oC 最新的极低噪声系列只有 1mg oC 对于高精度的应用项目 当零点漂移的误差不能满足要 求的时候 用户必须根据每个器件的不同特性来对其进 行补偿 因为每个器件的零点温漂特性的差异 所以我们要风别 测定每个器件的特性 为了补偿加速度 我们把一个同 温度变化相反的量加入到了加速度输出中 图 5 介绍 了一种用模拟电路进行线性补偿的方法 在这个电路 中 加速度传感器的温度输出被加或被减 补偿了加速 度输出信号中 MEMSIC Inc 09 29 2003 Page 3 of 5 应 用 资 料应 用 资 料 AN 00MX 002 CN 校正的步骤是 在室温下将 100K 电位器调至 Vref 端 然后将加速度传感器放置在预设的极端温度中 观察其 零点偏置电压的走向 再将开关拨至放大器的反向输入 端 最后 调节 100K 电位器使得放大器输出端的零点 偏置与室温时相同 图 5 零点温漂补偿电路 各种数字补偿方法 各种数字补偿方法 一种很有效的方法是使用微控制器 MCU 来进行灵敏 度和零点漂移的温度补偿 如今 具有分辨率在 8 12 位的A D转换功能和充足程序存储空间的8位 MCU和 便宜 此外 它还具有集成的内部晶体振荡器 可编程 的程序空间 flash 各种数字补偿的方块原理图见图 6 对于模拟信号输出 的加速度传感器 如果加速度信号很小的话 需要对其 进行放大 温度输出信号可以直接使用 不需要进行放 大 图 6 各种数字补偿的方块原理图 加速度传感器在室温下的输出信号量程要事先设定 这 样 在低温下 a d 转换就不会超出量程了 例如 在 40oC 时 a d 转换的量程大约是室温下的 2 5 倍 一旦加速度和温度信号数字化以后 用 MCU 进行灵敏 度的矫正也就变得很简单了 从下面的方程我们可已看 出这一点 67 2 67 2 i f fi T T SS 所以 MCU 进行灵敏度补偿的时候 数字化的 AOUT 的 值被乘上了一个和温度有关的补偿系数 或者 AOUT补偿 AOUT TOUT2 67 TOUT25oC2 67 但是 8 位 MCU 用上述方程进行补偿的时候会耗去大 量的内存和 cpu 时间 使得数据传输和其他任务没有足 够的资源 一个节省 MCU 资源的方法是使用查询表 另一个方法是把上面的方程简化只有加和乘 其中的一 种逼近法如下 AOUT补偿 AOUT d e TOUT f TOUT TOUT 其中 d e f 是由 a d 转换分辨率 a d 转换参考电压和 温度传感器量程决定的系数 这些系数可以通过曲线拟 合 通过查表程序得到 一种方法是把灵敏度 温度变 化参数的倒数制成表 再用软件进行曲线拟合 另一种方法使用 8 位 mcu 和上述方程进行补偿需要通 过浮点运算得到最佳的补偿 系数 d e f 将变得很大 用 16 位的整型运算运行上述方程将会溢出 绝大部分 mcu 都提供足够的浮点运算能力 在那些温度变化不是很大的应用中 上述方程可以进一 步简化 舍去最后一项 f 0 这将导致灵敏度误差的增 大 但会简化方程从而节省 mcu 的内存消耗 mcu 的成 本 表 1 列出了使用不同的 a d 转换器件进行灵敏度数 字补偿的例子 在表 1 计算中 温度传感器的输出电压 为 1V 25oC 温度变化系数为 5mV oC 所有的零点漂移 数字补偿可以用下面的方程来描述 AOUT补偿 AOUT a b TOUT c TOUT TOUT 其中 a b c 是加速度传感器的特性参数 为了确定他 们的值 将加速度传感器置于三个均匀递增的温度环境 下 在所应用的温度范围内 测得三组数据 AOUT0 TOUT0 AOUT1 TOUT1 AOUT2 TOUT2 将其代 入二次差值方程 或拉格朗日方程 中求得 a b c 方程如下 r0 AOUT0 TOUT0 TOUT1 TOUT0 TOUT2 r1 AOUT1 TOUT1 TOUT0 TOUT1 TOUT2 r2 AOUT2 TOUT2 TOUT0 TOUT2 TOUT1 a r0 TOUT1 TOUT2 r1 TOUT0 TOUT2 r2 TOUT0 TOUT1 b r0 TOUT1 TOUT2 r1 TOUT0 TOUT2 r2 TOUT0 TOUT1 c r0 r1 r2 MEMSIC Inc 09 29 2003 Page 4 of 5 应 用 资 料应 用 资 料 AN 00MX 002 CN a d resolution a d voltage reference Application Temperature mcu math library required d constant e constant f constant Sensitivity error after range p 12 bits 2 5 V 40 C to 85 C Floating point 2 0933 10 1 1 3843 10 4 1 4889 10 6 0 3 12 bits 5 0 V 40 C to 85 C Floating point 1 8816 10 1 2 2827 10 4 3 7898 10 7 0 4 8 bits 5 0 V 0 C to 70 C Fixed point 9 2673 10 1 3 7753 10 2 0 1 9 8 bits 2 5 V 0 C to 70 C Fixed point 9 0149 10 1 1 8691 10 2 0 2 8 表 1 各种灵敏度数字补偿举例 上述这种方法也可以用来进行自动 精确和简单零点温 漂补 比如 用 PC 来控制器件的温度 与 mcu 通讯 计算参数 在算出特征参数后 PC 把它们传给 mcu 的 存储器 一些 mcu 具有 eeprom 电可擦除可编程存储 器 因此可以方便地进行补偿数据的存储 在那些对零点温漂要求不高或者应用环境温度变化范 围很小的应用领域 上述补偿方法可以简化成只需要测 量两个温度下的零点漂移值 方程中的第三项被省去 了 结果使用一个线性方程来进行近似补偿 各种零点温漂的数字补偿方法都使得那些对零点偏移 要求较高的应用的性能得到了很大提高 比如角度的测 量 通过补偿 零点漂移随温度的变化被减小到了几 个 mg 另外 使用 8 位 mcu 进行温度补偿只需要很小 的 安 装 空 间 使 用 8 脚 的 Microchip 12CXXX 功耗也可以设置的非常小 这种补偿法的一个局限是他的频响可能不能满足一些 应用的需要 进行补偿的时间 或延迟 对某些应用来 说太长了 使用更快速的处理器可以解决这个问题 一 个更好的解决方案是使用模拟 数字混合补偿的方法 在下文中会详细介绍这种方法 具有模拟输出的增强型数字补偿法 具有模拟输出的增强型数字补偿法 在这种补偿方法中 数控电位器 DIG POT 周期性地 控制调整灵敏度和零 g 漂移 就像其他的数字补偿法一 样 使用了一个集成了 a d 转换器的 8 位 mcu 来监控加 速度传感器温度输出的变化 mcu 使用同其他数字补偿 法相似的方程 所不同的是 它动态地调整数字电位器 参数 而不是在数字化的 AOUT乘上或者加上一个值 见图 7 的方块图 图 7 更好的数字补偿方法方块图 数字电位器的灵敏度调整由一个二阶多项式近似 多项 式见下 SENS POT SETTING d e TOUT f TOUT TOUT 其中 d e f 是灵敏度的特征常量 可以使用其他数字 补偿相同的方法来确定它们的值 在电列表程序中间存 入补偿时需要的和温度对应的电位器的参数 再用其来 得到多项式的常数值 为了实现灵敏度的调整电路 需要一个如图 8 的差动放 大器 一个匹配很好的双路数字电位器可以提供很好的 增益的线性控制性能 再加上合适的电阻 可以提高灵 敏度调整的分辨率 图 8 灵敏度调整电路 同样 0g 漂移补偿也可以通过这种补偿灵敏度的方法 实现 ZERO g POT SETTING a b TOUT c TOUT TOUT MEMSIC Inc 09 29 2003 Page 5 of 5 应