Ao selecionar um sensor de inclinação MEMS, a folha de dados geralmente lista mais de uma dúzia de parâmetros, mas os seis parâmetros que realmente determinam o desempenho do sistema são normalmente o alcance, a precisão, a resolução, o viés, a deriva térmica e a resposta em frequência. Compreender suas definições, condições de teste e relações de acoplamento entre eles é mais importante do que simplesmente comparar números.
A faixa de medição é o intervalo de ângulos de inclinação que o sensor pode medir. As opções comuns incluem ±10°, ±30°, ±60°, ±90°, etc. Alguns produtos suportam medição em um ou dois eixos. O princípio fundamental da seleção da faixa é abranger o ângulo de inclinação máximo real e deixar uma margem de segurança, mas geralmente há uma relação de compromisso entre faixa e precisão: na mesma série de produtos, a precisão em toda a faixa de temperatura de ±10° costuma ser melhor do que a de ±90°. Isso ocorre porque a não linearidade, a tensão de encapsulamento e os erros de eixo transversal das estruturas sensíveis MEMS em grandes faixas são mais difíceis de controlar. Portanto, se a condição de trabalho real exigir apenas ±15°, geralmente é mais razoável escolher a faixa de ±30° do que a de ±90°. Além disso, as faixas de medição dos eixos X e Y dos sensores de dois eixos podem ser as mesmas, mas a direção de instalação afetará o eixo de medição efetivo. Ao selecionar, certifique-se de que o eixo de medição seja consistente com o eixo mecânico.
A precisão é frequentemente mal interpretada como "erro de uma única medição". Na verdade, geralmente se refere à precisão absoluta, que inclui o resultado abrangente de múltiplos erros, como não linearidade, repetibilidade, histerese, desvio de zero e erro no eixo horizontal. A precisão descrita na ficha técnica deve levar em consideração as condições de teste: há uma grande diferença entre a precisão em temperatura ambiente e a precisão em toda a faixa de temperatura. Por exemplo, a precisão em toda a faixa de temperatura de um sensor de inclinação de dois eixos com saída digital de nível industrial, na faixa de -40 °C a +85 °C, é de 0,01° a 0,05°, mas pode ser melhor em temperatura ambiente. Ao selecionar um modelo, deve-se priorizar a precisão em toda a faixa de temperatura, pois as variações de temperatura em ambientes externos e industriais amplificam diretamente o erro. Se o sistema necessitar apenas de variações angulares relativas, parte do desvio de zero pode ser eliminada por meio da calibração do "ponto zero relativo", mas a deriva térmica e a não linearidade não podem ser eliminadas.
A resolução é a menor variação angular que o sensor consegue detectar e distinguir. Geralmente, situa-se entre 0,001° e 0,002°, podendo atingir 0,0005° em produtos de alta precisão. A resolução é determinada principalmente pelo número de bits do conversor AD, pelo nível de ruído e pelo algoritmo de filtragem, mas não é sinônimo de precisão. Um sensor com resolução de 0,001° pode ter uma precisão real de 0,05°. Alta resolução é valiosa em nivelamento estático e monitoramento de inclinação lenta, mas em ambientes com vibração, resolução excessiva amplifica o ruído. Portanto, a resolução deve ser compatível com a densidade de ruído, a largura de banda e as necessidades reais de controle, em vez de buscar cegamente o valor mínimo.
O desvio zero é a diferença entre a saída real do sensor na posição de inclinação zero e o ponto zero teórico. O deslocamento zero afeta diretamente a medição do ângulo absoluto, mas pode ser corrigido por meio de calibração no local ou ajuste de zero relativo. Mais problemático é o desvio térmico do desvio zero, que é a variação do ponto zero com as mudanças de temperatura. A unidade geralmente é °/℃. Por exemplo, um desvio térmico do desvio zero de ±0,008°/°C introduzirá um deslocamento do ponto zero de aproximadamente 0,24° para uma diferença de temperatura de 30°C, o que não pode ser ignorado para rastreamento de alta precisão ou controle de segurança. A estabilidade a longo prazo do desvio zero também é crítica, pois determina o desvio zero do sensor após um ano de operação. Ao selecionar um sensor, deve-se atentar para o "desvio térmico do desvio zero" e para a "estabilidade a longo prazo", em vez de apenas observar o desvio zero inicial.
A deriva térmica divide-se em deriva térmica do ponto zero e deriva térmica da sensibilidade. A deriva térmica do ponto zero é representada pelo desvio geral da saída angular em função da temperatura; a deriva térmica da sensibilidade é representada pela variação do fator de proporcionalidade com a temperatura, sendo a unidade comumente utilizada ppm/°C. Sensores de inclinação MEMS modernos de nível industrial geralmente possuem sensores de temperatura integrados e realizam compensação em tempo real por meio de ajuste polinomial ou tabelas de consulta para garantir a repetibilidade em ambientes de baixa e alta temperatura. No entanto, o efeito da compensação depende da qualidade da calibração de fábrica. Ao avaliar a deriva térmica, os fabricantes devem fornecer uma curva de precisão para toda a faixa de temperatura, de -40 °C a +85 °C, em vez de apenas analisar os indicadores de temperatura normal. Se a temperatura do ambiente de aplicação variar drasticamente, o índice de deriva térmica deve ter prioridade sobre a resolução da temperatura normal.
A resposta em frequência determina se o sensor consegue acompanhar as mudanças de ângulo. A medição de inclinação estática requer apenas resposta em corrente contínua (CC) e uma taxa de saída de 5 Hz a 15 Hz; medições dinâmicas, como nivelamento de plataformas, monitoramento de vibrações e detecção de vibrações por vento em suportes de rastreamento, exigem maior largura de banda e taxa de saída, geralmente 35 Hz, 50 Hz ou até 100 Hz. No entanto, altas taxas de saída aumentam o ruído e a sobrecarga na comunicação. A saída automática de alta frequência no modo half-duplex RS485 também pode afetar a recepção de comandos. Nesse caso, recomenda-se usar o modo de perguntas e respostas ou aumentar a taxa de transmissão (baud rate). O tempo de resposta, o tempo de inicialização e a frequência de corte do filtro também precisam ser considerados: filtragem excessiva causa atraso, enquanto filtragem insuficiente gera ruído. Em engenharia, a filtragem por média móvel ou passa-baixa geralmente é aplicada no controlador para equilibrar a velocidade de resposta e a supressão de ruído.
Os seis parâmetros não são independentes: a faixa de medição afeta a precisão, a deriva térmica afeta a precisão em toda a faixa de temperatura, a resolução é limitada pelo ruído e pela largura de banda, e a deriva térmica de polarização zero determina a estabilidade a longo prazo. Uma sequência de seleção razoável é: primeiro, determinar a faixa e o número de eixos de medição; em seguida, esclarecer os requisitos de precisão para a faixa de temperatura operacional e toda a faixa de temperatura; depois, analisar a deriva térmica de polarização zero e a estabilidade a longo prazo; e, finalmente, selecionar a taxa de saída e a resolução com base na largura de banda de controle. Interfaces, níveis de proteção e resistência a choques e vibrações são condições adicionais no nível de integração do sistema.
Em resumo, a chave para analisar os parâmetros principais dos sensores de inclinação MEMS não é memorizar os números, mas sim compreender a definição, as condições de teste e o impacto de cada parâmetro na engenharia. A faixa de medição deve corresponder ao ângulo de inclinação real, a precisão depende da faixa de temperatura completa, a resolução deve ser equilibrada com o ruído e a largura de banda, o viés de zero e a deriva térmica determinam a confiabilidade a longo prazo, e a resposta em frequência determina a aplicabilidade dinâmica. Somente avaliando de forma abrangente esses parâmetros no mesmo cenário de aplicação é possível selecionar o sensor de inclinação verdadeiramente adequado para o sistema.
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