Lorsque différents laboratoires testent le même accéléromètre, comme celui de votre smartphone, ils proposent souvent des valeurs très différentes. Il y a plusieurs raisons possibles :Peut-être que les axes du système de cardan utilisé dans les tests ne sont pas parfaitement alignés, ou les axes internes du dispositif sous test (DUT) lui-même sont mal alignés, ou peut-être que le DUT est mal monté sur la table de test. Pour supprimer ces problèmes, Les scientifiques du NIST prennent des mesures pour déterminer les propriétés « intrinsèques » du DUT, celles qui sont propres à l'appareil lui-même. Cette démonstration vidéo comprend des images de la table à cardan de haute précision utilisée pour faire pivoter le DUT (dans ce cas, un smartphone) sur les trois axes simultanément.
Les accéléromètres, appareils qui mesurent les changements de vitesse, sont intégrés aux automobiles, avions, téléphones portables, stimulateurs cardiaques, et des dizaines d'autres produits. Ils mettent en garde contre des vibrations potentiellement destructrices dans les équipements industriels, immeubles, et ponts; enregistrer les chocs sismiques ; et guider les missiles vers leurs cibles.
De plus en plus, ils sont miniaturisés à l'aide de technologies de microsystèmes électromécaniques (MEMS) avec des dimensions des composants de l'ordre du micromètre, et enregistrent simultanément l'accélération dans les trois axes de l'espace tridimensionnel. Étant donné que les erreurs s'additionnent lors du calcul de la vitesse à partir de l'accélération, même des erreurs mineures de sortie peuvent avoir des conséquences très graves.
Pourtant, lorsque les sensibilités à trois axes et les sensibilités à axes croisés d'un appareil numérique à trois axes sont testées dans différents laboratoires d'étalonnage, les mesures peuvent varier considérablement en fonction de facteurs qui peuvent être difficiles à déterminer, mais résultent souvent d'erreurs d'alignement de l'équipement de test, l'alignement interne des accéléromètres dans l'appareil, ou les deux.
Désormais, les scientifiques du NIST ont conçu une méthodologie conçue pour réduire ou éliminer ces différences en caractérisant les propriétés intrinsèques d'un accéléromètre - celles qui lui sont propres quelle que soit la façon dont il est monté ou testé - permettant ainsi des comparaisons interlaboratoires précises.
"La détermination des propriétés intrinsèques fait partie de l'effort plus large du NIST pour aider l'industrie à développer des protocoles de test standard pour les nouvelles technologies de dispositifs basés sur MEMS, qui n'existent pas actuellement, " déclare Michael Gaitan du laboratoire de mesure physique du NIST, qui travaille en partenariat avec le MEMS and Sensors Industry Group (MSIG) et l'Institute of Electrical and Electronics Engineers. « Les tests ont été rapportés par MSIG comme représentant jusqu'à la moitié du coût de fabrication de ces types d'appareils. Les fabricants ne peuvent pas réduire beaucoup le coût de fabrication physique. Mais ils peuvent réaliser des économies dans la façon dont ils emballent, test, et calibrer les appareils."
Lorsqu'il est basé sur MEMS, des accéléromètres à trois axes sont testés, ils sont généralement montés sur un système de cardan et tournés autour de trois axes-x, oui, et z—avec des mesures prises dans différentes orientations. Les mesures sont formatées dans une grille trois par trois, appelée « matrice de sensibilité croisée, " utilisé par les fabricants pour évaluer les performances de l'appareil. Il spécifie la relation entre la réponse d'accélération le long des axes de la nacelle et la réponse le long des axes de l'appareil testé (DUT).
Ce processus, cependant, suppose que les trois axes du DUT sont parfaitement orthogonaux - à angle droit les uns par rapport aux autres - et que l'appareil a été monté en parfait alignement avec les axes du cardan, qui sont eux-mêmes parfaitement alignés. Et dans le cas des tests de packages d'accéléromètres après leur intégration dans les produits, tels que les téléphones intelligents, cela suppose que l'emballage a été installé exactement dans l'alignement des axes de la coque du téléphone. Mais aucune de ces conditions n'est garantie, et de légers écarts dans l'une des variables peuvent expliquer pourquoi les mesures de la même unité de test effectuées dans différents laboratoires produisent des valeurs différentes.
"Donc, au lieu d'utiliser la matrice de sensibilité croisée seule, " Gaïtan dit, "Nous définissons l'appareil comme ayant des propriétés intrinsèques dans lesquelles les axes de l'appareil ne sont pas supposés être complètement orthogonaux. Il pourrait y avoir une certaine variation dans leur alignement."
Dans le protocole de mesure du NIST, le DUT est monté sur la table de position et de taux qui fait pivoter très précisément l'appareil dans des gradations spécifiques à 360 degrés sur chacun des trois axes du cardan tout en mesurant la réponse de l'appareil à chaque intervalle. Le protocole révèle l'alignement de l'axe interne du DUT, l'amplitude de la réponse de chaque axe dans différentes orientations, et son "offset de signal" - la quantité constante par laquelle les lectures mesurées diffèrent de la valeur "vraie".
Avec ces informations, un laboratoire central de normalisation tel que le NIST pourrait caractériser pleinement les propriétés intrinsèques d'un ou plusieurs DUT et distribuer les dispositifs à d'autres laboratoires, qui les utiliserait pour comparer les résultats et déterminer, par exemple, si les lectures étaient faussées en raison d'erreurs de mesure liées à l'instrument.
Plus tôt cette année, Le NIST a acquis une nouvelle table de position et de taux suffisamment grande pour permettre des mesures sur des produits entiers équipés d'accéléromètres. "Notre système de cardan initial était un instrument plus petit qui était utile pour faire des mesures statiques, " dit Gaïtan.
"Mais maintenant, nous pouvons effectuer des mesures dynamiques sur des objets aussi gros qu'un téléphone portable. Nous pouvons le régler sur une rotation en régime permanent comme un tourne-disque, et nous pouvons accélérer le taux de rotation. Cela nous permettra de faire des mesures au-dessus de l'accélération de la gravité de 1 g et de mesurer l'accélération par rotation."
