CN106840095A - 一种并行多个倾角传感器芯片提高倾角仪测量精度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并行多个倾角传感器芯片提高倾角仪测量精度的方法，首先采用多个MEMS倾角传感器芯片测量重力加速度倾角数据，并利用白噪声叠加原理提高系统信噪比，再将每个轴的重力加速度值转换成角度值从而得到高精度的倾角值，为保证测量精度，在PCB板上绘制定位丝印，保证每个MEMS倾角传感器芯片的轴对齐。本发明通过对多个倾角传感器的无关联错误来源和随机噪声进行平均计算，降低整合后的传感器数据的总噪底，提高信噪比，从而提高测量精度。

Description

一种并行多个倾角传感器芯片提高倾角仪测量精度的方法
技术领域
本发明涉及一种并行多个倾角传感器芯片提高倾角仪测量精度的方法，属于土木工程的倾角仪技术领域，应用于结构安全健康监测行业。
背景技术
目前针对土木工程进行倾斜测量多采用倾角仪，而土木工程对于倾角的测量精度往往要求很高，比如地铁基坑的挡土墙倾斜监测，国标要求传感器精度能够达到在0.02°左右，因此，在设计传感器时，就需要选择灵敏度高、噪声低的MEMS倾角传感器芯片，但是想达到监测的要求，提升测量精度时，单纯通过选择目前的MEMS倾角传感器往往无法满足系统要求，所以会限制MEMS倾角传感器在高精度倾角测量行业的应用，也极大的约束了高精度倾角仪的成本控制。而且在使用高精度的倾斜仪芯片是，往往还要配置更高精度的模数转换以及高精度基准源等价格昂贵的芯片，从而进一步提升了倾角仪的成本。
发明内容
针对上述的问题，本发明针对目前高精度倾角测量无法使用低成本的数字型MEMS加速度传感器来实现的问题，采用了一种利用白噪声叠加后，能够降低噪声总功率的方法，从而提高系统信噪比，实现了并行多个倾角传感器芯片的方法对倾斜的高精度测量，实现MEMS倾角传感器在高精度倾斜场景的应用，也极大地降低了传感器成本。
本发明实现原理：使用微控制器内部的后端数字处理，可对多个数字倾角计传感器的输出求和，并且计算平均值。倾角计的测量重点是相对于水平面的传感器倾斜测量的相对精度。通过组合多个信号输出，噪声密度得以减小，类似于多倍过采样条件。比如，组合四个倾角计的信号输出，并对其进行平均值计算，可以实现4倍改进。例如：理想情况下，使用四个并行倾角计，假设原来0.1°的精度在理论上能够减小至0.025°通过这种方法就可以使用低成本的方案实现倾角的高精度测量。
倾角计之间的细微内部非线性失配将表现出独特的传递曲线。有些非线性由于架构原因非常相似，但另一些非线性会因器件间的差异而有所不同。这些特点表现为总噪声源以及一般随机传感器噪声。我们可将所有这些噪声统称为噪声。一般来说，多种噪声相互之间通常没有关联。使用多个倾角传感器芯片提高倾角仪测量精度的方法的主要益处是通过求平均值方法来消除这种随机白噪声。相反，如果对在相位和频率上相关的干扰信号进行求和，它们的幅度将会累加，对并行传感器方法没有益处。
对两个无关联的信号(例如白噪声)进行求和时，它们以″和的平方根″(RSS)形式进行数学上的组合。对于两个相等的幅度(按照有效值RMS计算)，这会导致幅度增加，如果Vnoise_rms＝一个传感器输入上的噪声，则两个通道上的平均噪声应为：
同理，n个相等有效值的噪声求和时，则平均噪声为：
公式中：Vnoise-rms表示单个MEMS倾角传感器芯片的自身的电压噪声有效值。n表示并行传感器的数量。
由数列的知识可知，当n越大时，越小，所以增加的不相关信号越多，可以降低白噪声，间接提高信噪比，从而实现高精度倾角数据的测量。
将相同关联信号的两个相同实例相加并计算平均值，功率几乎保持不变(相同信号2倍相加并除以2)，而且随机噪声将减小信号功率的一半。理想情况下，整体平均信噪比(SNR)中的信号功率将会增加3dB。
一般工程上的倾斜测量多使用X、Y轴，三轴数字型MEMS倾角传感器利用三个轴的倾角数据可以修正由于非被测方向的偏移引起的角度变化，比如假设测量X轴，但是同时Y、Z轴方向都有变化，这样就需要考虑Y、Z轴方向的变化对X轴角度的影响，并利用三角函数知识可知，X、Y轴方向的角度计算公式分别为：
公式说明：
Ax表示三轴加速度的传感器在x轴方向的重力加速度值，单位是mg；
Ay表示三轴加速度的传感器在y轴方向的重力加速度值，单位是mg；
Az表示三轴加速度的传感器在z轴方向的重力加速度值，单位是mg；
α表示倾角仪与x轴的夹角；
β表示倾角仪与y轴的夹角。
具体的，本发明所采用的技术方案为：一种并行多个倾角传感器芯片提高倾角仪测量精度的方法，首先采用多个MEMS倾角传感器芯片测量重力加速度倾角数据，并利用白噪声叠加原理即公式(1)提高系统信噪比，再通过公式(2)公式(3)将每个轴的重力加速度值转换成角度值从而得到高精度的倾角值。
本发明利用使用多个低成本数字输出型倾角传感器芯片组合(目前常见的12～14bit精度数字型三轴倾角仪一般成本为几元人民币，而高精度的倾角仪一般为模拟输出，成本则在上百元还需要配置高精度的模数转换器、基准源等)，利用通过使用多个传感器产生的平均效应，帮助提高倾角计测量的精度性能。它具有潜在益处的原因是它能够对多个传感器的无关联错误来源和随机噪声进行平均计算。这样可以降低整合后的传感器数据的总噪底，使得聚合信号的功率相对于噪声更大，提高信噪比，从而提高测量精度。通过这种方法，使用多个低成本的数字输出型MEMS倾角传感器，省去了高精度倾角仪的昂贵价格以及高精度基准源和高分辨率的模数转换器的成本，不仅极大地降低了系统总成本，也降低了系统的复杂度，提高了可靠性。
附图说明
图1是多个倾角传感器芯片的倾角仪框图。
图2是三轴数字型MEMS倾角传感器芯片测量角度的原理图。
图3是图3MEMS倾角传感器芯片在PCB上的焊接方位图。
图中：1——三轴数字型MEMS倾角传感器芯片组、2——微控制器、3——RS485接口、4——电源模块、5——EEPROM存储器、6——PCB板、101——三轴数字型MEMS倾角传感器芯片。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
倾角仪测量如图1所示，包括三轴数字型MEMS倾角传感器芯片组1、微控制器2、RS485接口3、电源模块4、EEPROM存储器5；三轴数字型MEMS倾角传感器芯片组1包括多个并行的三轴数字型MEMS倾角传感器芯片，微控制器2通过SPI总线读取三轴数字型MEMS倾角传感器芯片组1的数字型重力加速度倾角数据；微控制器2连接RS485接口3、电源模块4、EEPROM存储器5。
本发明利用多个三轴数字型MEMS倾角传感器芯片，如可选择ST、NXP、ADI公司等的产品型号，根据设计要求选择测量精度要求，可在10bit～14bit范围内选择合适的芯片，如ADIS16209，SPI接口输出，可通过SPI总线的VS片选信号并行多个三轴数字型MEMS倾角传感器芯片在系统中，微控制器2通过逻辑IO口对多个并行三轴数字型MEMS倾角传感器芯片进行数据读取，并在微控制器内部进行平均运算，利用使用多个三轴数字型MEMS倾角传感器芯片的无关联错误来源和随机噪声进行平均计算可以降低整合后的传感器数据的总噪底的原理，实现高精度的倾斜测量。系统配置EEPROM存储器5用于存储系统参数，如设备地址、MEMS芯片工作模式等。微控制器2将计算完的倾斜值通过RS485总线发送给上位机。微控制器2可采用ST公司的32位单片机STM32F系列。
降低白噪声的方法为：
n个相等有效值的噪声求和时，则平均噪声为：
公式中：Vnoise-rms表示单个MEMS倾角传感器芯片的自身的电压噪声有效值。n表示并行传感器的数量。
当n越大时，越小，所以增加的不相关信号越多，可以降低白噪声，间接提高信噪比，从而实现高精度倾角数据的测量。
然后将每个轴的重力加速度值转换成角度值从而得到高精度的倾角值。参照图2，一般工程上的倾斜测量多使用X、Y轴，三轴数字型MEMS倾角传感器利用三个轴的倾角数据可以修正由于非被测方向的偏移引起的角度变化，比如假设测量X轴，但是同时Y、Z轴方向都有变化，这样就需要考虑Y、Z轴方向的变化对X轴角度的影响，并利用三角函数知识可知，X、Y轴方向的角度计算公式分别为：
公式说明：
Ax表示三轴加速度的传感器在x轴方向的重力加速度值，单位是mg；
Ay表示三轴加速度的传感器在y轴方向的重力加速度值，单位是mg；
Az表示三轴加速度的传感器在z轴方向的重力加速度值，单位是mg；
α表示倾角仪与x轴的夹角；
β表示倾角仪与y轴的夹角。
三轴数字型MEMS倾角传感器芯片组1设计的某些细节，可能妨碍2倍或4倍减小精度的优势充分实现。第一，各三轴数字型MEMS倾角传感器芯片101必须在设备的对比轴上受到相同信号的同等影响。印刷电路板上的空间差异可能导致每个三轴数字型MEMS倾角传感器芯片101产生不同的观测结果。由于系统级别的影响，例如印刷电路板厚度差异和焊锡量容差，可能存在独有的失调。第二，三轴数字型MEMS倾角传感器芯片101之间的并行轴对齐应该是匹配的。一个电路板组装上的标准差异将产生放置容差，需要给予考虑。最后，器件之间的轴对齐误差和非线性失配也会影响最佳的设计和组装；此标准可以确定x轴和y轴是否做到了呈90°垂直。为了解决这些问题，在PCB板6上绘制定位丝印，保证每个三轴数字型MEMS倾角传感器芯片101的轴对齐，从而实现三轴数字型MEMS倾角传感器芯片组1的各三轴数字型MEMS倾角传感器芯片101精确定位，如图3所示。
当系统调试时，任何组装差异应该经过水平校准，以便充分实现并行倾角传感器测量的优势。例如，各个三轴数字型MEMS倾角传感器芯片101的测量失调偏置误差可以调零，以引用已知位置。

Claims (6)

1.一种并行多个倾角传感器芯片提高倾角仪测量精度的方法，其特征是：首先采用多个MEMS倾角传感器芯片测量重力加速度倾角数据，并利用白噪声叠加原理即公式(1)提高系统信噪比，再通过公式(2)和公式(3)将每个轴的重力加速度值转换成角度值从而得到高精度的倾角值；
公式(1)中：Vnoise-rms表示单个MEMS倾角传感器芯片的自身的电压噪声有效值。n表示并行MEMS倾角传感器芯片的数量；
公式(2)和公式(3)中：
Ax表示三轴加速度的传感器在x轴方向的重力加速度值，单位是mg；
Ay表示三轴加速度的传感器在y轴方向的重力加速度值，单位是mg；
Az表示三轴加速度的传感器在z轴方向的重力加速度值，单位是mg；
α表示倾角仪与x轴的夹角；
β表示倾角仪与y轴的夹角。
2.根据权利要求1所述的一种并行多个倾角传感器芯片提高倾角仪测量精度的方法，其特征是：在PCB板上绘制定位丝印，保证每个MEMS倾角传感器芯片的轴对齐。
3.根据权利要求1或2所述的一种并行多个倾角传感器芯片提高倾角仪测量精度的方法，其特征是：所述MEMS倾角传感器芯片是三轴数字型MEMS倾角传感器芯片。
4.根据权利要求3所述的一种并行多个倾角传感器芯片提高倾角仪测量精度的方法，其特征是：多个三轴数字型MEMS倾角传感器芯片组成三轴数字型MEMS倾角传感器芯片组，微控制器通过SPI总线读取三轴数字型MEMS倾角传感器芯片组的数字型重力加速度倾角数据，并在微控制器内部进行平均运算，利用使用多个三轴数字型MEMS倾角传感器芯片的无关联错误来源和随机噪声进行平均计算降低整合后的传感器数据的总噪底的原理，实现高精度的倾斜测量。
5.根据权利要求4所述的一种并行多个倾角传感器芯片提高倾角仪测量精度的方法，其特征是：微控制器将计算完的倾斜值通过RS485总线发送给上位机。
6.根据权利要求4所述的一种并行多个倾角传感器芯片提高倾角仪测量精度的方法，其特征是：微控制器可采用ST公司的32位单片机STM32F系列。
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