数字三轴MEMS加速度计传感器网络的计量溯源
摘要：由于缺乏合适的校准程序，以及管理大量灵敏度的复杂性，制造商和最终用户往往忽视了数字三轴MEMS加速度计网络的可追溯性。为了克服这些问题，国家计量研究所和校准实验室最近开发了两套采用斜面的可追溯的独立加速度计校准系统和方法，不确定度为2%。在这项工作中，25个数字三轴MEMS加速度计(传感器网络原型的一部分，用于低频结构监测)的主和横向震级灵敏度在三个低频由两个实验室进行评估。比较结果一致。此外，还提出了一种减少传感器网络终端用户管理的灵敏度和不确定性数据数量的方法。结果表明，它的数量可以减少，保持所需的可追溯性，但代价是较高的不确定性高达4.5%。
关键词：加速度计校准、数字传感器网络、灵敏度、MEMS、可信度、可追溯性
1.介绍
目前，基于数字MEMS(微机电系统)传感器网络的测量、监测和控制系统已成为许多应用和工程领域的广泛实践。MEMS传感器的易用性、灵活性、低成本和低功耗，以及增强的大数据流管理和数字化，使这些“技术传感基础设施”成为非常有吸引力的工具，用于检测大量的物理量、过程和现象，从小规模到大规模。此外，基于独立设备和通信的新技术的开发，如从医疗保健到智能行业，从家庭自动化到自动驾驶的不同实现中的物联网，都是基于非常广泛的分布式传感器网格的部署[1-5]。
可追溯的传感器网络当然更值得信赖，在某些应用中，由于一些法律或保险原因，需要在根据ISO 17025标准[6]运行的认可校准实验室中使用传感器进行周期性校准。因此，实现整个传感器网络的可追溯性的第一个基本步骤是建立在对传感器进行校准的基础上，根据VIM(国际词汇表)中定义的相关不确定性来评估传感器的灵敏度[7-12]。根据ISO标准(例如ISO 16063-21[13])或国际校准协议，在认可的校准实验室根据一级或二级标准进行测量，以确定传感器在特定校准边界条件下的灵敏度。
此外，环境参数、运行参数和电气参数的影响测试或数据的汇总和传输，都是至关重要的，以确保数据的可靠性，供后续使用。然而，众所周知，校准实验室不可能进行大量的测量，以检查传感器网络的各个方面的适用性，例如温度、湿度、振动、电效应、无线传输协议、辅助设备的噪音地板等的影响。这种操作称为“传感器网络表征”，通常由制造商或最终用户根据特定程序进行，通常是为了获得所需的认证或标记，就像传统的模拟传感器[14]一样。
无论如何，目前MEMS制造商或实际终端用户往往忽视传感器的首次校准。对于数字三轴MEMS加速度计，其灵敏度通常由制造商提供，没有可追溯的方法，在某些情况下没有任何不确定性的指示，有时是在静态条件下估计的，三个轴之间没有任何区别。即使是动态响应，作为频率的函数，通常也没有测试或未定义[15]。这种行为主要有两个原因。
首先，数字三轴MEMS加速度计仍然没有合适的校准系统和方法。传统的校准程序(如ISO 16063-21[13])并不适用于三轴加速度计，其主要和横向(或串扰)灵敏度项至关重要，因为敏感轴通常彼此不垂直[16-18]，而且不适用于数字传感器，它使用数字接口进行数据和通信，其输出以数字单位给出。这些方面最近也强调框架的战略咨询委员会的2019年到2029年音响、超声波、和振动BIPM(局国际des重量等措施)[19],强烈的愿景是面向数字化的问题和可追溯性的传感器与数字接口,在欧洲国家计量学会(EURAMET)的框架内，这个话题被广泛讨论，并在联合研究项目中提出了一些建议[20-24]。
第二，由于传感器网络由数十、数百甚至数千个传感器组成，每个传感器和每个影响参数(例如三轴加速度计的频率和轴)的灵敏度可能难以用数值来管理，实际应用中终端用户的计算和消费术语[25-28]，如果终端用户为了减少需要管理的敏感性数量，没有使用计量方法处理这些数据的经验，则有可能损害所提供数据的可信度。根据平均灵敏度值和相关不确定性的传播。因此，在大多数情况下，终端用户实施定制校准技术(或更准确地说，VIM[7]中定义的定制调整)或依赖于制造商提供的所有生产MEMS的灵敏度，因此，如果对特定应用需要，则无法获得可追溯性。
由于这些原因，INRiM (National Institute of measurement Research)[29-31]和UNIVAQ (University L Aquila)加速度计校准实验室最近开发了两套适用于数字三轴MEMS加速度计的独立校准系统和使用倾斜板的方法[32-35]。这种系统，在第2节中概述，保证了在2%左右的不确定度水平下的可跟踪测量。据作者所知，美国国家计量学会或认可的校准实验室以前没有进行过比较，也没有将其应用于整个数字三轴MEMS加速度计传感器网络。
在本文中，作为一个案例研究，研究了由25个数字三轴MEMS加速度计组成的传感器网络的可追溯性，这些传感器由制造商(意法半导体)提供，名义上是相同的，并且是同一生产批次的一部分。研究中的传感器是网络原型的传感元件，用于结构和基础设施健康监测以及城市/建筑尺度的地震安全网络，适用于低频范围的振动测量[36-40]。
首先，每个传感器在三个低频率(3hz, 6hz和10hz)在两个独立的实验室进行校准，与一个二级标准相比，之前根据INRIM的一级标准进行校准，以建立计量溯源链的第一个环节。每个MEMS加速度计每个轴在频域的实际主要灵敏度，以及横向灵敏度，定义为垂直于其敏感轴[41]的加速度的灵敏度，由于轴与轴之间的相互作用，被精确量化。值得注意的是，与ISO 16063-21[13]类似，振动传感器的校准主要用于评估幅度灵敏度，也可用于相移灵敏度。在这种情况下，校准测量与量值校准有关。所有25个MEMS的实验结果，按各单轴和各测试频率的主灵敏度(3轴times;3频率times;25 MEMS，共225个主灵敏度值)，然后验证从两个实验室获得的数据，最后相互比较，检查兼容性，并为第3节所示的这些新型传感器提供新的和兼容的跟踪路径。
渐渐的,可能提供较低的灵敏度值相关的不确定性,从轴的情况下,为每个MEMS和frequency-independent敏感性(即25主要灵敏度值)一个灵敏度值的极限情况,独立于MEMS,轴和频率,研究了,如第4节所示，为最终用户提供更好及更容易的数据管理。
2. 材料和方法
2.1灵敏度和传感器
2.1.1《数字化》敏感性
首先，需要为数字输出确定合适的灵敏度参数。根据IEEE数字加速度计标准[42]，灵敏度(或比例因子)定义为最低有效位(Least Significant Bit, LSB)即g，即g/LSB。该定义广泛应用于数字传感器数据表中。然而，作为校准实验室，最好参考VIM[7]中定义的术语。使用术语LSB部分混淆数字输出有两个主要原因。首先，实际的数字输出值是一个n位0/1二进制序列，转换成十进制数(Decimaln-bit)。第二，虽然1 LSB在大多数情况下对应的是20=1 Decimaln-bit，但根据IEEE标准，它并不总是正确的，因为1 LSB可以对应其他位位，如21=2 Decimaln-bit, 22=4 Decimaln-bit，或更多。因此，在下面，数字MEMS加速度计的“数字化灵敏度raquo;”的线性单位表示为Decimaln-bit/(m/s2)(或简单地说，Dn-bit/(m/s2))，类比模拟加速度计的典型线性单位表示为V/(m/s2)。n位下标表示十进制数所指向的位数，根据设备使用的标准，即12位、16位。作为校准结果，数字化灵敏度raquo;Dn-bit /(m sminus;2)与制造商提供的比例系数并不冲突，但它代表了传感器的进一步质量参数，可以参考静态和动态校准提供测量精度。
2.1.2数字三轴MEMS加速度计
图 1一套25个数字3轴MEMS加速度计和微控制器。
本文所研究的25个数字三轴MEMS加速度计(图1)均为商用低功耗数字MEMS加速度计，属于MEMS IMU (Inetrial Measurement Unit，意法半导体，型号LSM6DSR[43])，由3-D加速度计、3-D陀螺仪、电荷放大器、每个传感器都有一个模数转换器。3-D陀螺仪在校准期间关闭。数字MEMS加速度计通过串行电缆连接到一个独立的外部微控制器(STMicroelectronics，型号32f769iddiscoververy[44])，该微控制器采集数字样品，并通过USB端口与PC机通信。
该信号通过串行外围接口(SPI)进行采集，SPI是用于连接数字传感器的同步串行通信接口。来自Sigma;Delta;-ADC的1位信号通过抽取过程和低通滤波器转换成标准的16位签名PCM (Pulse Code Modulation)信号，标称采样频率为1660hz。然而，根据制造商[45]，采样频率可达目标的minus;6%，即1560hz。因此，每个MEMS的实际采样频率之前是通过计算已知生成的正弦信号的采样数量来计算的。采样频率范围1580hz ~ 1630hz。振幅值范围为-216minus;1= -32768 D16-bit-sigined和 (216minus;1)= 32767D16–bit–signed, 其中，数字单位是转换成十进制数的有符号16位序列。
数字MEMS加速度计的线性加速度灵敏度，由制造商以mg/LSB表示，取决于测试条件中使用的“满量程”，并且通常归因于传感器的每个敏感轴的静态和动态测量，与频率无关。没有任何关于相关不确定度的指示，并且在可追溯的校准方法中不被评估。在本工作中，使用plusmn;2 g的“满量程”，声明的灵敏度为0.061 mg/LSB。在十进制单位中，它相当于0.061 mg/ D16-bit-signed，即0.598 times;10minus;3(m/s2)/ D16-bit-signed。对于模拟传感器，灵敏度表示为参考量的函数，因此对应于1671 D16-bit-signed位符号/(m/s2)。MEMS制造商还宣称线性加速度灵敏度随温度变化为plusmn;0.01% /◦C[43]。
2.2. 校准程序
这组25个传感器的校准程序旨在验证实际的动态幅值响应作为频率的函数。按参考传感器(参照ISO标准16063 - 21[13])的标准，以三个低频(即3hz、6hz及10hz)进行校正。这项工作的所有测量都是在实验室控制的环境条件下进行的，温度为20.0plusmn;0.5◦C和相对湿度在30%和50%之间。根据实验室设备，利用线性振动台沿单轴产生正弦机械动态激励，峰值振幅几乎恒定为1 m/s2，与ISO 16063-21[13]相似。这至少比MEMS的分辨率(1 Decimal =0.0006 m/s2)和噪声下限(大约3 Decimal =0.0018 m/s2)高三个数量级。同样值得注意的是,带宽,以及相关的错误,并测试了MEMS加速度计的测量范围可以更广泛,分别几千赫和2 g,比调查范围(3赫兹minus;10 Hz, 0.1 g)。因此,校准结果只提到这个特定的应用程序(例如,结构和建筑低频监测)，其中既不涉及静态，也不涉及高频或高震级加速度。
虽然微控制器可以与多个传感器通信，但由于距离和数据速度的考虑，将所有MEMS连接到外部微控制器是
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