Dynamic calibration of triaxial MEMS accelerometers: a statistical approach

The dynamic calibration of digital MEMS triaxial accelerometers is a crucial challenge when the use of such sensing technologies substitutes traditional measurement systems such as in industrial or structural health monitoring applications. This research introduces a novel methodology for evaluating their sensitivity matrix, with the aim of compensating for the absence of factory calibration for each individual sensor. The study is conducted on a batch of smart sensing nodes provided by STMicroelectronics, and focuses on the experimental calibration of an embedded triaxial acceleration sensor under various sinusoidal excitation conditions. The proposed approach contributes to the existing research literature by performing a dynamic calibration in the low frequency range between 3 and 20 Hz. The procedure outlined proposes a novel statistical model of the sensor dynamic response, defining a frequency-dependent sensitivity matrix based on the six-point calibration model. Calibration is performed by comparing the MEMS sensor's output with that of a high-sensitivity piezoelectric accelerometers, which serve as a metrological reference. Multiple smart sensing nodes are tested to formulate a model representative of the population of the sensors tested. Monte Carlo simulation is exploited to enhance the statistical relevance of the initial dataset, to make it possible evaluating the uncertainty associated to the predicted acceleration values. The obtained model is then linearly interpolated along the interested frequency range and used in a real-time calibration procedure. The results indicate a low variability of the MEMS dynamic behavior within the tested frequency range, while small differences in sensitivity matrix coefficients can be found among devices. In conclusion, the proposed calibration procedure enhances the accuracy of the target measurement system while providing an estimation of its measurement uncertainty.

La taratura dinamica di accelerometri digitali triassiali MEMS è una sfida cruciale quando l’impiego di queste tecnologie mira a sostituire sistemi di misura tradizionali in applicazioni industriali o di monitoraggio strutturale. Questa ricerca introduce una nuova metodologia per il calcolo della loro matrice di sensibilità con l'obiettivo di mitigare un forte limite metrologico di questi stistemi di misura, cioè l’assenza di taratura individuale dopo la produzione. Lo studio è stato condotto su un lotto di nodi sensore prodotti da STMicroelectronics, e si concentra sulla taratura sperimentale di un accelerometro triassiale integrato in dette board. L'impiego di moltepilici unità di questi nodi sensore è importante al fine di formulare un modello generale rappresentativo del loro comportamento. Il lavoro qui presentato si concentra sull'effettuare una taratura dinamica nell’intervallo di bassa frequenza compreso tra 3 Hz e 20 Hz. Esso introduce una nuova procedura sperimentale per modellare statisticamente la risposta dinamica del sensore, introducendo una matrice di sensibilità come funzione della frequenza di eccitazione, estendendo pertando il metodo di taratura statica a sei punti al caso dinamico. La taratura del sensore MEMS è effettuata mediante confronto diretto con accelerometri piezoelettrici ad alta sensibilità, usati come riferimento metrologico. Una simulazione Monte Carlo del modello è poi stata utilizzata per migliorare la rilevanza statistica dei dati inizialmente raccolti, permettendo così una stima dell'incertezza dei valori di accelerazione associati all'applicazione del modello di taratura. Il modello ottenuto è quindi stato interpolato linearmente nel dominio di frequenze selezionato rendendolo applicabile a frequenze non testate e utilizzato per correggere un segnale di accelerazione in tempo reale. I risultati mostrano una bassa variabilità del comportamento dinamico del sensore nell’intervallo di frequenze testato, mentre la procedura di calibrazione proposta migliora l’accuratezza del sistema di misura basato su accelerometri MEMS includendo una stima della sua incertezza di misura.