CN107504950B - 一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，包括双轴倾角传感器电路、电连接器和封装壳体；双轴倾角传感器电路包括X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器、调理电路、A/D转换电路、单片机电路、串口电路，MEMS角度敏感器敏感到安装载体倾斜角度的变化，后经调理电路、A/D转换电路、单片机电路、串口输出与倾斜角度成比例的数字量连续信号；电连接器焊接在双轴倾角传感器电路上并安装在金属封装壳体上形成电气接口；封装壳体将双轴倾角传感器电路和电连接器封装在一起，并通过安装法兰形成机械接口。本发明可广泛应用于无人机、舰载设备、卫星通讯、工程机械、铁塔智能监测、太阳能追踪系统等平台的倾斜角度测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于“三明治”式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，属于微机械领域和测量领域。
背景技术
倾斜测量装置主要用于安装载体倾斜角度的测量，按工作原理可以分为固摆式、气摆式和液摆式三种。固摆式倾角传感器敏感物质是摆锤的质量，由于具有明确的摆长和摆心，其产品的精度和抗过载能力较高，但体积大，因此使用受到一定限制。气摆式倾角传感器内，气体是密封腔中唯一运动体，它的质量小，在大的冲击和高过载时产生的惯性也小，所以具有较强的抗振动或冲击的能力，但气体运动控制较为复杂，影响因素比较多，因此精度不高。液摆式倾角传感器介于两者之间且系统稳定，在高精度系统中广泛应用，国内外的产品多为此类。
随着微电子技术的发展、微机械加工工艺设备的完善及加工精度的提高，以单晶硅材料研制的各种微型角度传感器产品相继问世，它与传统的机械式角度传感器相比，具有体积小，质量轻，功耗低的特点。采用微机械加工工艺，易于实现批量生产，降低成本。
倾斜测量装置用来测量相对水平面的倾角变化量，理论基础是牛顿第二定律。目前MEMS倾斜测量装置，以梳齿式敏感结构为主，可以提供单轴或双轴向的倾斜角度测量。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，通过合理的空间X\Y轴向布局，采用高精度的信号处理电路、高精度的加速度/角度线性化处理方法、以及高精度的角度信号补偿方法，实现高精度双轴倾斜角度测量。
本发明的技术方案是：一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，包括双轴倾角传感器电路、电连接器和封装壳体、供电模块；所述双轴倾角传感器电路包括X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器、调理电路、A/D转换电路、单片机电路和串口；X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器同时采集安装位置的倾斜角度值，将采集的倾斜角度值信息发送至调理电路；调理电路调整接收的倾斜角度值信息的电压值信号，将与A/D转换电路匹配的电压值信号传输至A/D转换电路进行模数转换，传输至单片机电路；单片机电路对A/D转换电路输入的数字信号进行线性化处理，并对线性化处理后的信号进行零位基准补偿、温度漂移补偿、交叉耦合补偿，通过串口输出角度信号；双轴倾角传感器电路与电连接器连接，安装在封装壳体内；供电模块给双轴倾角传感器电路供电。
所述单片机电路对A/D转换电路输入的数字信号进行线性化处理的具体步骤如下：
(1.1)将N个测量位置点的角度值数字量与0°位置处的角度值数字量做差，将差值归一化处理后除以角度敏感器的标度因数，获得每个测量位置处实际角度对应的角度敏感器输出量；所述的N个测量位置点的角度值数字量指测量分度头在测量范围内均匀选取的N个测量位置点处的X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器输出值经过A/D转换电路转换后获得的角度值数字量；所述的0°位置处的角度值数字量指测量分度头在0°位置处的X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器输出值经过A/D转换电路转换后获得的角度值数字量；
(1.2)根据α＝sin-1(Ax)获得倾斜角度值α，其中，Ax为步骤(1.1)中获得的角度敏感器输出量。
所述单片机电路对线性化处理后的角度值按零位基准补偿、交叉耦合补偿、温度漂移补偿的顺序进行处理，具体步骤如下：
(2.1)零位基准补偿的方法为将单片机电路对线性化处理后的角度值减去零位基准补偿值，使得零位基准误差≤2″；
(2.2)交叉耦合补偿的方法为：将单片机对零位基准补偿后的X轴向角度标度值减去X轴向耦合误差值，使得X轴向耦合误差≤0.2％；将单片机对零位基准补偿后的Y轴向角度标度值减去Y轴向耦合误差值，使得Y轴向耦合误差≤0.2％；
(2.3)温度漂移补偿的方法为：将单片机对交叉耦合补偿后的角度值减去温度漂移误差值，使得-40℃～70℃范围内零位偏移≤0.05°。
X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器分别竖起安装在金属封装壳体的侧壁上，相互垂直。
所述步骤(2.1)中的零位基准补偿值的获得方法为：将倾斜测量装置放置在水平台上，记录下倾斜测量装置的输出值即为零位基准补偿值。
所述步骤(2.2)中X轴向耦合误差值的获得方法为：将双轴倾斜测量装置置于双轴位置台上，沿敏感轴Y向转动位置台，获得X轴向的角度标度值作为X轴向耦合误差值。
所述步骤(2.2)中Y轴向耦合误差值的获得方法为：将双轴倾斜测量装置置于双轴位置台上，沿敏感轴X向转动位置台，获得Y轴向的角度标度值作为Y轴向耦合误差值。
所述步骤(2.3)中温度漂移误差值的获得方法为：双轴倾斜测量装置置于温控大理石平台上，在-40℃～70℃范围内角度值按β＝A×T3+B×T2+C×T+D进行三阶多项式拟合，β为温度漂移误差值，其中，T为温度，A、B、C、D分别为拟合的三次项、二次项、一次项及常数项系数。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明是一种高精度双轴倾斜测量装置，选用“三明治”式角度敏感结构，一方面通过合理的空间布局，实现双轴高精度测量，另一方面采用MEMS技术方案缩小了体积，减轻了质量；
(2)本发明采用高精度的信号处理电路，选用24位A/D转换芯片选用AD7798、内嵌32位Cortex-M3 CPU内核的STM32F103LQFP48单片机等芯片，一方面具备了高分辨率的数据转换能力，另一方面也为高精度数据处理方法的实现提供了硬件基础；
(3)本发明采用高精度的加速度/角度线性化处理方法，为“三明治”摆式结构非线性的问题提供了解决方案；
(4)本发明采用高精度的角度信号补偿方法，同时采用水平零位基准调平、交叉耦合的抑制、温度漂移的补偿三种角度信号补偿方法，通过综合使用实现高精度双轴倾斜测量的目的。
附图说明
图1为本发明的高精度双轴倾斜测量装置的原理框图；
图2(a)为本发明的“三明治”式敏感结构剖视图；
图2(b)为本发明的“三明治”式敏感结构正视图；
图3为本发明的高精度信号处理电路原理图；
图4为本发明的高精度角度线性化处理方法实施效果图；
图5为本发明的高精度角度信号补偿方法实施零位重复性效果；
图6为本发明的高精度角度信号补偿方法实施零位温度漂移效果；
图7本发明的“三明治”式传感器敏感结构中间硅极板示意图；
图8为上玻璃极板、中间硅极板、下玻璃极板双电场静电键合示意图。
具体实施方式
本发明是一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，可以同时敏感X轴向和Y轴向的倾斜角度的变化，由双轴倾角传感器电路、电连接器和金属封装壳体组成。
如图1所示为本发明的高精度双轴倾斜测量装置的原理框图，包括X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器、调理电路、24位A/D转换电路、单片机电路和RS232串口电路，与电连接焊接在一起后封装在金属壳体中，两路MEMS角速度敏感器同时采集安装位置的倾斜角度变化，经调理电路、24位A/D转换电路、单片机电路、RS232串口后输出与倾斜角度成比例的数字量连续信号。
如图2(a)、图2(b)所示，为本发明的X(Y)轴MEMS角度敏感器采用的三明治式敏感结构外形图，敏感轴向为Z向，能够获得较高的电容变化量，实现较高的角度分辨率。MEMS角度传感器敏感即三明治式敏感结构，包括上玻璃极板1、中间硅极板2、下玻璃极板3及金丝引线4，中间硅极板2位于上玻璃极板1、下玻璃极板3之间；上玻璃极板1、中间硅极板2、下玻璃极板3上的金属焊盘分别引出金丝引线4；上玻璃极板1、中间硅极板2、下玻璃极板3通过静电键合方法使得玻璃材料与硅材料之间形成彼此相连接的SiO2层，并由金丝引线引出电容信号。
上玻璃极板1或下玻璃极板3的材料为派瑞克斯7740，厚度为0.8mm，派瑞克斯7740材料一侧表面淀积金膜，金膜表面淀积SiO2介质膜。
如图7所示，中间硅极板2的材料为<100>晶向的单晶硅，厚度为0.38mm，中间硅极板2的敏感质量块21尺寸为4.8mm×4.8mm×0.368mm；悬臂梁22的尺寸为1.2mm×1mm×0.03mm，两个悬臂梁22的间距为1.5mm。
如图8所示，采用双电场静电键合方法将上玻璃极板1、中间硅极板2、下玻璃极板3进行对准，中间硅极板2放置在上玻璃极板1、下玻璃极板3之间，通过导热块5固定在键合炉上；将键合炉的温度设置在250℃～450℃范围内；中间硅极板2接阳极，上玻璃极板1和下玻璃极板3接阴极，施加600V～800V的直流电压形成双电场开始静电键合；待电流下降到0.01mA时，关闭直流电压，将温度降至常温。
如图3所示为本发明的高精度信号处理电路原理图，包括24位A/D转换芯片选用AD7798，具有3通道、低噪声、低功耗、24位∑-△ADC测量精度；单片机芯片选用STM32F103LQFP48，具有内嵌32位Cortex-M3 CPU内核、最高72MHz时钟频率的性能。通过选用这样的芯片使该信号处理电路具有更高的数据分辨率，更高的信号处理能力，实现高精度的角度信号处理。
本发明的高精度的角度线性化处理方法，步骤为首先将双轴倾斜测量装置置于分度头上，分别测量分度头处于-30°、-15°、-10°、-5°、-4°、-3°、-2°、-1°、0°、1°、2°、3°、4°、5°、10°、15°、30°时角度敏感器输出；其次将角度敏感器输出的数字量减去0°位置时的输出，再进行归一化处理除以角度敏感器的标度因数，使30°时角度敏感器输出为0.5，-30°时角度敏感器输出为-0.5；最后再对归一化处理后的数据按α＝sin-1(Ax)进行线性化处理，Ax为线性化后数据，α即为需要的倾斜角度。图4所示为本发明的高精度角度线性化处理方法实施效果图，非线性度优于0.5‰。
本发明的高精度的角度信号补偿方法，步骤为首先进行水平零位基准调平：将双轴倾斜测量装置置于水平零位基准平台上，水平基准误差≤2″，记录下双轴倾斜测量装置的输出，并在单片机电路中减掉该输出值；其次进行交叉耦合的抑制：将双轴倾斜测量装置置于双轴位置台上，沿敏感轴Y向转动位置台，记录下X轴向倾斜测量装置的输出，计算出Y轴耦合标度因数并从原标度值中扣除；然后沿敏感轴X向转动转台，记录下Y轴向倾斜测量装置的输出，计算出Y轴耦合标度因数并从原标度值中扣除；最后进行温度漂移的补偿：将双轴倾斜测量装置置于温控大理石平台上，温箱温度分别设定为-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、70℃，记录下双轴倾斜测量装置的输出，按β＝A×T3+B×T2+C×T+D进行三阶多项式拟合，减去温度漂移误差β实现对倾斜测量装置的温度漂移进行补偿。图5为本发明的高精度角度信号补偿方法实施零位重复性效果，重复性优于0.01°。图6为本发明的高精度角度信号补偿方法实施零位温度漂移效果，-40℃～70℃范围内零位偏移优于0.05°。双轴倾斜测量装置的交叉耦合优于0.2％。
本发明的一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置测量范围为±60°。
本发明是一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，选用“三明治”式角度敏感结构，一方面通过合理的空间布局，实现双轴高精度测量，另一方面采用MEMS技术方案缩小了体积，减轻了质量；采用高精度的信号处理电路，选用24位A/D转换芯片选用AD7798、内嵌32位Cortex-M3 CPU内核的STM32F103LQFP48单片机等芯片，一方面具备了高分辨率的数据转换能力，另一方面也为高精度数据处理方法的实现提供了硬件基础；采用高精度的加速度/角度线性化处理方法，为“三明治”摆式结构非线性的问题提供了解决方案；采用高精度的角度信号补偿方法，同时采用水平零位基准调平、交叉耦合的抑制、温度漂移的补偿三种角度信号补偿方法，通过综合使用实现高精度双轴倾斜测量的目的。
本发明是一种高精度双轴倾斜测量装置，测量精度高、体积小、环境适应性强，可广泛应用于无人机、舰载设备、卫星通讯、工程机械、铁塔智能监测、太阳能追踪系统等平台的倾斜角度测量。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，其特征在于：包括双轴倾角传感器电路、电连接器和封装壳体、供电模块；所述双轴倾角传感器电路包括X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器、调理电路、A/D转换电路、单片机电路和串口；X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器同时采集安装位置的倾斜角度值，将采集的倾斜角度值信息发送至调理电路；调理电路调整接收的倾斜角度值信息的电压值信号，将与A/D转换电路匹配的电压值信号传输至A/D转换电路进行模数转换，传输至单片机电路；单片机电路对A/D转换电路输入的数字信号进行线性化处理，并对线性化处理后的信号进行零位基准补偿、温度漂移补偿、交叉耦合补偿，通过串口输出角度信号；双轴倾角传感器电路与电连接器连接，安装在封装壳体内；供电模块给双轴倾角传感器电路供电；
所述单片机电路对A/D转换电路输入的数字信号进行线性化处理的具体步骤如下：
(1.1)将N个测量位置点的角度值数字量与0°位置处的角度值数字量做差，将差值归一化处理后除以角度敏感器的标度因数，获得每个测量位置处实际角度对应的角度敏感器输出量；所述的N个测量位置点的角度值数字量指测量分度头在测量范围内均匀选取的N个测量位置点处的X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器输出值经过A/D转换电路转换后获得的角度值数字量；所述的0°位置处的角度值数字量指测量分度头在0°位置处的X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器输出值经过A/D转换电路转换后获得的角度值数字量；
(1.2)根据α＝sin-1(Ax)获得倾斜角度值α，其中，Ax为步骤(1.1)中获得的角度敏感器输出量；
所述单片机电路对线性化处理后的角度值按零位基准补偿、交叉耦合补偿、温度漂移补偿的顺序进行处理，具体步骤如下：
(2.1)零位基准补偿的方法为将单片机电路对线性化处理后的角度值减去零位基准补偿值，使得零位基准误差≤2″；
(2.2)交叉耦合补偿的方法为：将单片机对零位基准补偿后的X轴向角度标度值减去X轴向耦合误差值，使得X轴向耦合误差≤0.2％；将单片机对零位基准补偿后的Y轴向角度标度值减去Y轴向耦合误差值，使得Y轴向耦合误差≤0.2％；
(2.3)温度漂移补偿的方法为：将单片机对交叉耦合补偿后的角度值减去温度漂移误差值，使得-40℃～70℃范围内零位偏移≤0.05°。
2.根据权利要求1的一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，其特征在于：X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器分别竖起安装在金属封装壳体的侧壁上，相互垂直。
3.根据权利要求2的一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，其特征在于：所述步骤(2.1)中的零位基准补偿值的获得方法为：将倾斜测量装置放置在水平台上，记录下倾斜测量装置的输出值即为零位基准补偿值。
4.根据权利要求3的一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，其特征在于：所述步骤(2.2)中X轴向耦合误差值的获得方法为：将双轴倾斜测量装置置于双轴位置台上，沿敏感轴Y向转动位置台，获得X轴向的角度标度值作为X轴向耦合误差值。
5.根据权利要求3或4的一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，其特征在于：所述步骤(2.2)中Y轴向耦合误差值的获得方法为：将双轴倾斜测量装置置于双轴位置台上，沿敏感轴X向转动位置台，获得Y轴向的角度标度值作为Y轴向耦合误差值。
6.根据权利要求5的一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，其特征在于：所述步骤(2.3)中温度漂移误差值的获得方法为：双轴倾斜测量装置置于温控大理石平台上，在-40℃～70℃范围内角度值按β＝A×T3+B×T2+C×T+D进行三阶多项式拟合，β为温度漂移误差值，其中，T为温度，A、B、C、D分别为拟合的三次项、二次项、一次项及常数项系数。
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