加速度传感器测试技术规范V1.0
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加速度传感器测试技术规范
Ver1.0
前言
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力,就好比地球引力,也就是重力。加速力可以是个常量,比如g。也可以是变量。
加速度计有两种:一种是角加速度计,是由陀螺仪(角速度传感器)改进的。另一种就是线加速度计。
从测量维数来分,绝大多数为一维型,个别属二维型,极少数属三维型。
从测试原理上可分为压电式、电容式、电感式、应变式、压阻式、热对流式和表面声波式等等。
其中,压阻式加速度传感器的原理为压阻效应,即半导体材料受到应力作用时,其电阻率会发生变化,因此传感器可通过此原理来感测位移的变化。其结构简单,外形小巧,性能优越,尤其可测量低频加速度。其产生误差的主要原因是温度。由于传感器中扩散电阻的温度系数较大,电阻值随温度变化而变化,引起传感器的零位漂移和灵敏度漂移。零位温度的漂移一般可用串联电阻的方法进行补偿;灵敏度则随温度变化:当温度升高时,压阻系数减小,感测器的灵敏度也随之减小;反之则灵敏度随温度减小而增大。
热对流式加速度传感器的工作原理是由加速度引起的内部温度变化来测量加速度。其优点在于不会有其它机械方式可能出现的粘连、颗粒等问题,同时能抗受50,000g以上的巨大冲击;此外还有低成本方面的优势。热对流式的设计也有其自身的缺点。相对于电容式方案,它的功耗较大;目前热对流式加速度传感器也只能做到二轴的方向性。热对流式方案的工作原理决定了它必然对环境温度变化比较敏感,容易产生零点温漂和灵敏度温度漂移;而且频率反应也不能太快,一般小于35Hz。
电容式加速度传感器可将非电量的变化转换为电容量变化。其结构中分别由一个可移动的质块与一个相对的固定端作为电容的两极。当外界加速度使可移动极与固定极发生相对位移时,两极间的电容量也会发生变化,通过特殊电路即可将此变化量转换成相对应的输出信号。电容式加速度传感器具有结构简单、分辨能力高、可非接触测量,除了可以实现微型化需求外,能在高温、高压、强辐射及强磁场等恶劣的环境中工作,也能耐受极大冲击,适用范围极广。动态反应时间短是电容式加速度传感器的一个显著优点,它能在几兆赫兹的频率下工作,因此特别适合于动态测量。此外又由于其介质损耗小,可以用较高频率供电,因此系统工作频率高,可以用于测量高速变化的参数。压阻式或热对流式传感器易因外界温度变化而产生零位漂移,而电容式结构则可避免这种问题。电容式加速度传感器的电容值一般与电极材料无关,因此可选择温度系数低的材料;另外传感器本身发热量极小,因此温度对稳定性的影响十分微小。除了上述优点外,电容式加速度传感器还可测极低的加速度和位移(0.01μm以下),灵敏度及分辨力可以做到很高。
目前压阻式、电容式与热对流式是市场上产品化的加速度传感器采用的主要技术。三者各有其优缺点,但电容式的各项功能皆有中等或极佳的表现,因此发展的潜力极大。
1范围
本测试规范目前适用于封装后的电容式、热对流式加速度传感器。封装形式可以是DIP、SOT或LCC。量程是±10g的低g加速度传感器,100g以内的中g加速度传感器和量程大于100g的高g加速度传感器。
2传感器相关量的说明
本标准采用以下定义:
2.1输入量:
加速度传感器的输入量是加速力,可以是恒定的,例如重力加速度,也可以是变量,例如在重力加速度下轴向的翻滚。
2.2输出量:
一般的加速度传感器的输出量应该是模拟量,及电压。如在ASIC电路中做入A/D转换的话,可以输出数字量。
2.3额定量程:
传感器的额定量程是指在设计此种传感器时,在规定技术指标范围内能够正常工作的测量范围。
2.4最大量程(安全过载):
传感器允许施加的最大输入量.允许在一定范围内超负荷工作。一般为120%~150%。
2.5极限负荷(极限过载):
传感器能承受的不使其丧失工作能力的最大极限输入值。意即当工作超过此值时,传感器将会受到损坏。
2.6测量维数:
传感器测量维数:一般有:一维,二维,三维。
2.7 分辨率
这里的分辨率是指传感器能够分析输入量的最小变化量。通常用最低有效位值占系统满度信号的百分比来表示,或用满度信号可以分的级数来表示,有时也用ADC的位数表示。如下表格:
表格<1>分辨率的表达方式
2.8带宽:
这里的带宽实际上指的是刷新率。也就是说每秒钟,传感器会产生多少次读数。可具体根据产品定义。对于MEMS和ASIC共存的传感器,在ASIC电路中通常有部分Register用于存储ADC的读数。这些读数被循环读取并写入register,后进的会覆盖先进的。
2.9激励电压范围:
激励电压也称为工作电压。一般为1.6-10伏。
2.10通讯协议:
作为面对市场的传感器,在通讯接口上必须适用于行业中常用的接口或协议。如IIC,SPI等。
2.11特定环境下的特定性能指标:
在传感器设计之初会根据市场要求来设计最终适合特定环境的传感器。如要具备一定抗压能力,抗污染能力,抗腐蚀能力等等。
3.传感器参数说明及其测量方法
3.1传感器的参数说明
3.1.1灵敏度:
灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值.它是输出---输入特性曲线的斜率.如果传感器的输出和输入之间显线性关系,则灵敏度S是一个常数.否则,它将随输入量的变化而变化。灵敏度越高,输出信号越容易测量,精度越高。灵敏度公式如下:
LM=△y/△x -------------------------------------------------公式<1>
3.1.2非线性:
这是表征此传感器的输出与输入之间对应关系的精确程度的参数。
3.1.3重复性:
重复性表征传感器在同一输入量在同样条件下反复施加时,其输出值是否能重复一致,这项特性更重要,更能反映传感器的品质。国标对重复性的误差的表述:重复性误差可与非线性同时测定。
传感器的重复性误差(R)按下式计算:
R=ΔθR/θn×100% --------------------------------------------公式<3>
ΔθR--同一试验点上3次测量的实际输出信号值之间的最大差值(mv).
3.1.4传感器测量精度:
传感器的精度用于表征传感器对外界信号测量或是转换的准确度。是指测得值(输出值)与真实值之间的差异。通常情况下可以使用经过验证的第三方产品作为参照标准。
3.1.5允许使用温度:
规定了此传感器能适用的场合。例如常温传感器一般标注为:-20℃---+70℃。高温传感器标注为:-40℃---250℃。
3.1.6温度补偿范围:
说明此传感器在生产时已在这样的温度范围内进行了补偿。例如常温传感器一般标注为-10℃-+55℃。
3.1.7零点温度影响(俗称零点温漂):
表征此传感器在环境温度变化时它的零点的稳定性。一般以每10℃范围内产生的漂移为计量单位。漂移量计算公式如下:
PY= (ΔTe-ΔBz )/ΔBz -----------------------------------------------公式<7> ΔTe:零点在NPT+10℃的输出值;ΔBz在NPT下的输出值。
3.1.8频率响应范围: