基于MEMS传感器的大量程高精度倾角仪设计

发布时间：2020-08-27 08:56

【摘要】：随着我国工业技术的快速发展,航空航天、土木建筑、医疗设备等领域对倾斜角测量技术的要求也在不断提高,特别是雷达、精密机械手臂、医用CT等需要大量程高精度倾斜角测量的精密设备。针对于目前倾角仪大部分只能做到大量程低精度或者小量程高精度的情况,设计了一种基于MEMS传感器的大量程高精度倾角仪。本文首先从增加系统的测量范围出发,测量单元采用由三个单轴MEMS加速度计组成的正交三轴测量模型,在同等测量精度的基础上增大了倾斜角测量范围;硬件设计部分选用低噪声高精度的加速度传感器,高分辨率的模数转换芯片和高运算速率的控制解算芯片,为数据的高精度采集处理打下基础。随后通过分析系统的组成结构与测量模型,总结出了影响系统测量精度的主要因素。针对于目前传统标定方法存在的不足,提出了一种基于转台的多位置标定方法,实现了系统标度因数矩阵和零点电压的高精度标定;针对于标定后加速度传感器标度因数和零点电压随温度变化而产生漂移的问题,提出了一种分段式温度补偿方法,减小了环境温度的变化对系统测量结果的影响;针对于倾角仪系统在长期使用过程中零点电压漂移的问题,提出了一种现场快速标定方法,在很大程度上增加了倾角仪系统的实用性。最后,利用三轴位置温控转台分别对多位置标定补偿方法、分段式温度补偿方法、现场快速标定方法进行了实验验证,证明了三种误差补偿方法的有效性。经实验验证表明,该系统能够在全温度范围内(-20℃~60℃)实现0°~360°的倾斜角测量而且测量最大误差不超过0.01°。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH712;TP212
【图文】：

国内外倾角仪系统研究及发展状况 传统的倾角仪测量倾斜角的理论依据一般是牛顿第二定律，即根据物体加速度的大跟它的质量和所受到的力有一定的关系，利用重力场内对物体造成的力来转化为对应电信号，是在建国以来使用最多的倾角仪类型，这种传统的倾角仪体积大、加工工艺杂、成本高、精度差、实时性差。 我国在近半个世纪以来，随着 MEMS 技术和电子技术的飞速发展和各个行业对倾仪性能要求的不断提高，倾角仪逐渐走向智能化、小型化的发展趋势，基于 MEMS术的倾角仪受到了全世界的关注[13-15]。近年来，国内出现了很多生产倾角仪的厂家，们生产的倾角仪在国内处于领先水平，精度也越来越高，体积越来越小。如图 1.1 所为西安精准测控公司生产的“PM-TS I/II-DH”系列的高精度温补型倾角传感器，内部用分辨率为 24 位的模数转换芯片，并且配备强大的数字处理系统和误差补偿技术，轴测量范围为 0～360°，精度达到 0.05°，全温度范围内零点偏差小于 0.05°。

国内外倾角仪系统研究及发展状况 传统的倾角仪测量倾斜角的理论依据一般是牛顿第二定律，即根据物体加速度的大跟它的质量和所受到的力有一定的关系，利用重力场内对物体造成的力来转化为对应电信号，是在建国以来使用最多的倾角仪类型，这种传统的倾角仪体积大、加工工艺杂、成本高、精度差、实时性差。 我国在近半个世纪以来，随着 MEMS 技术和电子技术的飞速发展和各个行业对倾仪性能要求的不断提高，倾角仪逐渐走向智能化、小型化的发展趋势，基于 MEMS术的倾角仪受到了全世界的关注[13-15]。近年来，国内出现了很多生产倾角仪的厂家，们生产的倾角仪在国内处于领先水平，精度也越来越高，体积越来越小。如图 1.1 所为西安精准测控公司生产的“PM-TS I/II-DH”系列的高精度温补型倾角传感器，内部用分辨率为 24 位的模数转换芯片，并且配备强大的数字处理系统和误差补偿技术，轴测量范围为 0～360°，精度达到 0.05°，全温度范围内零点偏差小于 0.05°。

中北大学学位论文CA526T”型高精度倾角传感器，在测量范围为±90°时精度为 0.05°。国外器生产厂家主要为英国的 Clino 公司、芬兰的 VTI 公司、日本的 Murata 公司要做组成倾角仪的敏感器件，利用 MEMS 技术对敏感单元输出的电信号进大和模数转换，可以通过器件上的数字接口直接与单片机或者电脑相连，极器件外部电路的复杂性，具有较高的实用性。如图 1.3 所示为 VTI 公司生3100”型三轴数字倾角传感器，采用 SPI 数字接口，全温度范围内零点误差；如图 1.4 所示为 Murata 生产的“SCA3300”型三轴数字倾角传感器，采用口，全温度范围内零点误差为±0.86°。

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本文编号：2805892