基于MEMS加速度计的高精度倾角传感器研制

发布时间：2021-09-24 10:28

　　为了测量煤矿井下液压支架姿态角度以实现支架姿态模型检测,设计了一款基于微电机系统（MEMS）加速度计的高精度倾角传感器。首先,对MEMS加速度计测倾角的基本原理进行研究。其次,分析传感器角度测量误差的影响因素,提高倾角传感器的测量精度:对加速度计的输出数据进行分析,分别设计传感器误差校准及坐标旋转的方法。最后,通过选用合适的传感测量元件及辅助电路,成功设计了高精度三轴倾角传感器。在试验室中对样机进行测试表明:该倾角传感器可以实现三轴方向上±90°范围的角度测量,测量精度在0.1°以内。该产品不仅可以用于煤矿井下,实现液压支架三轴姿态角度测量,满足液压支架姿态模型检测与分析的要求;还可以作为一种传感测量设备,在诸如工业自动化、智能平台等领域,实现角度测量功能。此外,误差校准及坐标旋转方法可以为其他高精度设备的设计提供良好的理论基础。 

【文章来源】：自动化仪表. 2020,41(03)

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

加速度计测倾角原理图

通过反正弦函数即可求得部件的角度。但该方法中,当部件的倾斜角度越接近±90°时,对加速度计的灵敏度要求会越高。图2所示为在Matlab上模拟的0.1°精度下加速度计灵敏度要求。从图2可以看出,当要求的测量范围为±23.7°时,灵敏度需要达到1.599 mg/0.1°;当测量范围为±90°时,灵敏度需要提高到0.016 759 mg/0.1°。目前,流行的方法是根据三轴加速度计的数据,利用正切函数进行角度求解。它利用正弦函数与余弦函数的互补关系进行角度求解,可以在某一测量范围内降低单轴加速度数据灵敏度不高带来的误差。本文采用式(2)所示方法,计算X轴与水平面的夹角。

在传感器测量数据完全精确的情况下,利用上述原理可以精确测得物体的姿态角度。但传感器的数据很难保证理想精度。通过数据滤波的方法可以消除数据在采集过程中的干扰,不过传感器内部的影响因素却无法消除。如传感器的0偏移误差及增益误差,它们是每种传感器都必然存在的误差。若不进行处理,会对测量数据的精度产生一定甚至较大的影响。测量误差曲线如图3所示。参照ADXL355手册上的平均0 g偏移量0.025 mg与最大增益误差+8%处理后,按照式(2)计算出的理论误差。从图3中可以看出,角度的最大偏差可达到2°以上。当两者误差相叠加时,会造成更大的误差,远远超出倾角传感器要求的测量精度。

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3407596