Estabelecendo o Desempenho Base para Acelerômetros MEMS de Alta Precisão

Na primeira parte desta série, exploramos a arquitetura interna do acelerômetro MEMS de 3 eixos ADXL355. Este artigo explica como coletar um conjunto de dados inicial confiável que confirmará o piso de ruído do dispositivo e validará as expectativas para experimentos subsequentes de processamento de sinal.

Embora a saída analógica do acelerômetro possa ser conectada a qualquer sistema DAQ, a Analog Devices fornece uma placa de avaliação compacta — a EVAL‑ADXL35x — projetada para integração rápida em protótipos embarcados. Para este estudo, a placa foi montada em um microcontrolador SDP‑K1 e programada através do ambiente gratuito Mbed baseado em ARM. O SDP‑K1 aparece como uma unidade externa quando conectado a um PC, permitindo que o usuário grave o binário compilado simplesmente arrastando-o para a unidade.

Uma vez que o firmware Mbed estava em execução, os dados eram transmitidos via UART para um terminal e registrados a 2 Hz. Embora o ADXL355 possa emitir dados em taxas muito mais altas, este artigo foca no registro de baixa taxa que é suficiente para estabelecer uma linha de base.

Para garantir uma superfície de medição estável, o sensor foi fixado a uma bancada de vidro usando um braço articulado PanaVise equipado com suporte de ventosa. Embora o torno possa introduzir um pequeno risco de inclinação, é um método econômico para rotacionar o sensor em relação à gravidade sem mover toda a bancada. O ADXL355 foi posicionado conforme mostrado na Figura 1 e um fluxo de dados de 60 segundos foi capturado para análise inicial.

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Figura 2. Configuração de teste usando EVAL‑ADXL35x, SDP‑K1 e montagem PanaVise. (Fonte: Analog Devices)

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Figura 3. Dados do ADXL355 sem filtro passa-baixa (registrador 0x28=0x00), capturados durante 1 minuto. (Fonte: Analog Devices)

Das 120 amostras, o desvio padrão variou de 800 µg a 1,1 mg. O datasheet do ADXL355 lista uma densidade de ruído de 25 µg/√Hz. Com a largura de banda padrão de 1 kHz (LPF habilitado), isso se traduz em 25 µg/√Hz × √1000 Hz ≈ 791 µg rms, assumindo um filtro de parede de tijolo. Os valores medidos ficam confortavelmente dentro deste intervalo teórico, confirmando o desempenho de ruído do sensor.

A maioria das aplicações de precisão não requer largura de banda de 1 kHz. Ao configurar o filtro passa-baixa digital (LPF) onboard para 4 Hz, o ruído efetivo deve reduzir por um fator de √1000/√4 ≈ 16. O ajuste do firmware Mbed é mostrado na Figura 4, e os dados resultantes na Figura 5. A Tabela 1 resume o ruído medido e teórico para cada eixo com e sem o LPF.

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Figura 4. Código Mbed para configuração de um registrador. (Fonte: Analog Devices)

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Figura 5. Dados do ADXL355 com LPF configurado para 4 Hz (registrador 0x28=0x08), capturados durante 1 minuto. (Fonte: Analog Devices)

Observe que o ruído do eixo Y excedeu a previsão teórica. Uma investigação sistemática revelou que o laptop do laboratório e ventiladores de outros equipamentos introduziam vibração predominantemente na direção Y. Rotacionar o sensor para que o eixo X se alinhasse com a fonte de vibração deslocou o excesso de ruído para o eixo X, confirmando que a discrepância observada decorria de perturbações mecânicas externas e não de variância intrínseca do sensor.

Para avaliar a resposta do sensor a perturbações térmicas rápidas, uma pistola de ar quente Weller 6966C foi operada na configuração "frio" (≈ elevação de 40 °C). O sensor de temperatura onboard do ADXL355 registrou a temperatura ambiente enquanto a pistola direcionava ar quente para o encapsulamento cerâmico, que é hermeticamente selado. A Figura 6 demonstra o pronunciado desvio de 1,5 mg no eixo Z e os deslocamentos muito menores nos eixos X e Y. Quando a pistola foi desligada, o eixo Z retornou à linha de base quase instantaneamente, como mostrado na Figura 7.

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Figura 6. Dados de choque térmico do ADXL355 usando pistola de ar quente na configuração frio. (Fonte: Analog Devices)

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Figura 7. Choque térmico do ADXL355 com desligamento da pistola de ar em t = 240 segundos. (Fonte: Analog Devices)

O desvio rápido do eixo Z (≈ 10 mg) excede em muito o coeficiente de temperatura de offset de 100 µg/°C reportado no datasheet. Este comportamento é atribuído a tensão térmica diferencial através do die de silício, que afeta a massa de prova mais fortemente na direção Z. Em contraste, a elevação de 40 °C preveria apenas um deslocamento de 4 mg baseado no coeficiente de offset, sublinhando que o efeito observado é mecânico e não deriva térmica.

A caracterização de temperatura baseada em forno (Figura 8) confirma o coeficiente de temperatura de offset de aproximadamente 100 µg/°C na faixa de -45 °C a +120 °C quando o sensor é aquecido lentamente a 5 °C/min sem soak. Permitir um soak de 15 minutos a 120 °C reduz o coeficiente efetivo para ≈ 60 µg/°C, à medida que as tensões diferenciais se equilibram.

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Figura 8. Caracterização de temperatura baseada em forno do ADXL355. (Fonte: Analog Devices)

Estas medições de linha de base confirmam que o ADXL355 entrega o desempenho de baixo ruído anunciado quando operado com o filtro passa-baixa digital apropriado, e que choques térmicos rápidos podem induzir transientes de offset significativos que devem ser mitigados no projeto.

Na terceira parte desta série, examinaremos fatores adicionais que influenciam a estabilidade a longo prazo e forneceremos diretrizes de projeto mecânico para aprimorar ainda mais o desempenho do sensor.

Referências

• ¹ Chris Murphy, "Choosing the Most Suitable MEMS Accelerometer for Your Application—Part 1," Analog Dialogue, vol. 51, no. 4, Out 2017.
• ² Chris Murphy, "Accelerometer Tilt Measure Over Temperature and in the Presence of Vibration," Analog Dialogue, Ago 2017.
• ³ Sistema de avaliação SDP‑K1.
• ⁴ Guia do Usuário Mbed para SDP‑K1.
• ⁵ Suporte articulado PanaVise.
• ⁶ Exemplo de código Mbed.
• ⁷ Pistola de ar aquecimento/resfriamento Weller 6966C.
• ⁸ Parylene.