加速度传感器测试技术规范V1.0

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:

传感器的频率响应是在正弦变化的输入下，其输出能满足规定性能指标要求的响应频率范围。其特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持信号不失真。实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大。所以在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过大的误差。

3.1.9响应时间:

是指传感器在稳态工作情况下即输入物理量存在的情况下,从激励电压稳定到输出值稳定之间的时间差。响应时间计算公式：

ΔXY= T-t ------------------------------------------------------公式<2>

T: 输出值稳定时间；t:激励电压稳定时间。

3.1.10功耗：传感器工作在工况下的整体功耗。

3.1.11噪音指标：传感器输出信号中的噪音。

3.2传感器参数的测量方法

3.2.1 灵敏度，非线性，重复性，精度的参数测试

3.2.1.1 原理概要

对于加速的传感器的灵敏度，非线性，重复性，精度这些重要参数的获取或验证，首先要使被测对象处于一定量加速度运动环境中。对于中低g加速度，可以把被测对象固定在振动台上；对于高g加速度，可以使用高加速度冲击台。当传感器以一定量加速度运动时，通过对其输出电信号的处理和收集进而计算出上述重要参数。

3.2.1.2测试系统

测试系统如下图(1)所示，是加速度传感器测试系统示意图，主要由信号调理模块、A/D 转换模块、数据采集模块、马达控制模块、PC以及提供不同加速度的伺服电机、振动台、冲击台等组成。

图（1）加速度传感器测试系统示意图

1．信号调理模块：

传感器输出的信号通常要么是模拟量，要么是数字量。信号调理模块的作用就是对输出信号进行调理，使其更容易、更准确的被数据采集模块或者A/D转换模块测量。通常传感器的输出量都比较小，诸如毫级电压或电流，这些信号一方面容易受到外界信号的干扰而失真，另一方面也不易被一些低分辨率的测量仪器所准确测量，这时就需要放大，滤波，线性化的手段来调理信号。

2.A/D转换模块：

A/D转换是将模拟量转换成数字量。在这里可以理解为数字万用表或是数字采集卡（DAQ）的模拟通道，也可以理解为MCU中的A/D转换模块。

3.数据采集模块：

这里主要指数据采集卡（DAQ）的数字通道，可用于接收或发送数字脉冲信号。时钟频率可以达到1MHz。可以用来建立IIC，SPI通讯。

4.马达控制模块：

马达控制模块用于控制马达的转速和转动角度。控制的方式主要是发送数字脉冲，脉冲频率越高，转速越快；脉冲数越多，角度越大。发送的途径可以是数字采集卡的数字通道，也可以是通过MCU的I/O口来发送。

5.PC：

PC是主控程序的载体，所有命令由PC上的主控程序发出（如图1黄线），通过不同的接口，不同的协议发送到不同的模块或设备上，模块和设备再进行响应。这些命令可以是：选择测试通道、量程、采样速率、开关电源、采集数据开始、采集数据结束、控制马达转动

角度等等。这些接口协议是USB、RS-232/485、GPIB、PCI等等。设备可以是驱动器、激励电源、万用表、数据采集卡等等。

6.加速度平台：

途中有三种平台，第一种使用伺服电机带动传感器转动，可以测量传感器在一个g的重力加速度下不同轴向、倾角的信号输出。第二种振动台，可以用来测量在中低g加速度下振动方向的信号输出。第三种冲击台，可以用来测量在高g加速度下冲击方向的信号输出。

3.2.1.3测试条件

1. 对于中低g（小于100g）加速度传感器，使用振动台按照传感器的量程提供不同的加速度点，对于高g（大于100g）加速度传感器，使用冲击台按照传感器的量程提供不同的加速度点。如低g加速度计，以0.5g为增量递增；中 g加速度计，以1g为增量递增；高g 加速度计，以10g-100g为增量递增，测量输出量，绘制输入量和输出量曲线R1。

2. 测试设备量程和分辨率的选择取决于加速度传感器输出量的范围。通常输出量都是电压值，通常的范围有100-500mV的、10V的、20V的等等。使用安捷伦34410A万用表并选对量程就可以保证测量的精度。

3. 测试中要注意电磁干扰或者射频干扰，一般数字线路和模拟线路要分开，最好使用屏蔽线，需要的话可以使用微波吸波材料。数字地和模拟地要分开，滤波电容的使用一般在100pF到0.1uF之间选择。

4. 以上实验都在恒温下进行。

3.2.1.4灵敏度，非线性度的计算，

在传感器量程范围内，输入一组输入量如（x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10…），得到一组输出量如（y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8,y9,y10…）。拟出一条曲线R1。计算其斜率，如果曲线的斜率是常量的，则代表输出量和输入量是线性关系。如果是变量则说明是非线性关系。灵敏度和斜率的关系是斜率越大，灵敏度越高；反之越低。，线性关系时要计算其非线性度。

下面列出斜率和非线性度的计算公式。首先约定(X)表示横坐标的平均值、(Y^2) 表示纵坐标平方的平均值、(Y)^2表示纵坐标平均值的平方、(XY)表示横纵坐标乘积的平均值。设 (xi,yi)之间的是线形关系。直线方程为 y=kx+b。k为斜率，b为截距。按照最小二乘法：k=[(X)(Y)-(XY)]/[(X)^2-(X^2)]------------------------------------------公式（8）关于非线性度γ：

γ=[(XY)-(X)(Y)]/SQRT{[(X^2)-(X)^2][(Y^2)-(Y)^2]}----------------------公式（9）SQRT表示开平方运算。

非线性度参数γ总是在0和1之间。越接近于1，数据的线形越好。

3.2.1.5重复性，精度的计算

在传感器量程范围内，固定某一输入量x0，对输出量进行连续采样，采样间隔可以是1秒;1分;10分钟或1小时，采样值形成一个数列[y1,y2,y3,y4,y5,y6…]。重复性计算公式如下：

R=ΔθR/θn×100% ------------------------------------------------公式<3> ΔθR--同一试验点上n次测量的实际输出信号值之间的最大差值。

精度计算公式如下

J=ΔθJ/θn×100% ------------------------------------------------公式<10> ΔθJ--同一试验点上n次测量的实际输出信号值最大值与平均值之间的差值。

3.2.2 允许使用温度，温度补偿范围，零点飘逸参数的测试

3.2.2.1 原理概要

根据MEMS加速度传感器的原理或工艺，其性能指标都会或多或少的受到外界环境变化的影响，特别是外界温度的变化。所以对于传感器，最终都要经过高低温测试，一方面确认传感器能够正常工作的温度范围，另一方面根据各个温度点时的实际输出量与常温输出量进行比较，通过添加算法来对其进行补偿，消除温度带来的测量偏差。

下图（2）是MEMS加速度流量传感器在某固定加速度状态、不同温度环境下的曲线图，X轴是温度，Y轴是信号输出。红线是温度补偿前的数据，可以看到同一个输入时，输出最大差异有四个单位。而补偿的目的是通过补偿将红线变成蓝线，将温度对传感器的影响减低到最低。

零点是零输入情况下的输出量。而“零飘”是表征零点受温度环境变化的程度。这是客户关注的重要指标，也是产品的重要参数。

图（2）加速度传感器温度漂移图

3.2.2.2 测试系统

下图（3）是加速度传感器高低温、湿度、振动测试系统图。在原数据采集测试系统的基础上添加了三种不同环境试验箱。

1.温湿度，振动综合环境试验箱。可以为温度补偿范围测取原始数据。具体是将传感器放置在一个温湿度，振动都可控制的环境中，然后测取不同加速度状态下，不同温度的输出值，为温度补偿提供原始数据。零点作为一个输入量。其受温度影响的漂移量同样要得到补偿。

2.高低温冲击试验箱，高低温湿度交变试验箱。可以用来提供渐进或突变的温度变化环境，检验传感器的基本性能，如精度，重复性，寿命等等。已确定允许使用的温度范围。高低温冲击试验箱的温度范围是-55oC-150oC，恢复时间小于5分钟。高低温湿度交变试验箱的温度范围是-70oC-150oC，温度均匀度小于2度，温度偏差小于2度，波动度正负0.5度以内。

图（3）加速度传感器高低温、湿度、振动测试系统图

3.2.3频率响应范围参数的测量

3.2.3.1 原理概要

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，在频率范围之内要确保输出量保持不失真。高频下输出量失真的原因是由于MEMS传感器的机械系统部分在工作时存在较大的惯性，而传感器的响应总有一定的延时。高频时，如果延迟时间太长，就会导致输出信号失真。所以希望延迟时间越短越好。总之传感器的频率响应越高，可测的信号频率范围就越宽。

3.2.3.2 测试方法

对于频率响应范围的测量，需要建立振动的环境。其中采用电动振动试验系统可以提供不同频率和加速度的振动环境。参考东菱科技的风冷和水冷系列的振动系统，其提供的频率范围最大可以达到4500Hz，最小达到2Hz。加速度最大到达100g。将被测传感器固定在振动台上，保证振动方向和被测轴向一致，建立3.1.2.1中测试系统中的通讯，以10倍到20倍振动频率的采样频率对简谐振动中的传感器输出信号进行采样。最后拟合出输出信号随频率变化的波形。得到频率响应的范围。

3.2.3.3 测试系统

使用3.2.2.1中的测试系统中的振动台作为测试平台，及右侧采集系统。

3.2.3.4 测试条件

1. 中低g加速度计可以使用振动台。

2. 采样速率要足够高，最好是振动频率的8倍以上，有助于输出信号波形的恢复。

3.2.4 响应时间参数的测量

3.2.

4.1 原理概要

响应时间是传感器的重要参数之一，其表征了传感器在给与激励信号后多久能完成对输入信号的测量并输出输出量。当然中间量也可以测量响应时间，这个取决于定义。

3.2.

4.2 测试方法

常用的方法是使用示波器的两个通道，一个通道检测激励信号，一个通道检测被测信号，在同一屏幕上检测两个波形，然后在信号稳定的地方设立标尺，算时间差。

3.2.

4.3 测试系统

图（4）加速度传感器响应时间测试图

3.2.5 功耗的测量

3.2.5.1 测试原理及方法

传感器功耗的测量有很多方式，最常见的方式是对其电流的测量，但一般智能传感器为达到低功耗的目的，都具备多种工作模式并自动切换。正常模式下电流可能是毫安级，休眠模式可能是微安或是纳安级。如何无缝全程检测电流就会比较麻烦。传统的方式是用电流表在不同的量程范围下测得其不同工作状态下的峰值，然后进行估算。这种方式效率低且误差大。Agilent N6705B直流电源分析仪的无缝量程切换功能配合低至纳安级的电流测试精度为电流全程检测提供了新的方法。

3.2.5.2 测试系统

图（5）加速度传感器功耗测试图

3.2.6 Noise的测量

3.2.6.1 测试原理及方法

在电子测量中，习惯上把信号电压以外的电压统称为噪声。从这个意义上说，噪声应包括外界干扰和内部噪声两大部分。由于外界干扰在技术上是可以消除的，所以最终关心的噪声电压的测量主要是对电路内部产生的噪声电压的测量。

对于加速度传感器，需要对其输出信号进行频域分析，通过分析可以得到信号功率、信号频率、相位噪声等等。Agilent X系列信号分析仪可以用于信号的频域分析。推进仪器N9000AEP CXA。去使用标准前置放大器时的显示平均噪声为-161dBm。

3.2.6.2 测试设备

图（6）加速度传感器Noise测试图

参考资料：

加速度传感器的简述北京航空航天大学夏伟强

MEMS电容式加速度传感器相关检测技术研究中国科学院研究生院吴浩

加速度传感器电激励等价性测试方法的研究王平赵新民段尚枢郭振芹

加速度传感器幅频特性测试及改进樊尚春刘广建吕国云张景森