CN107966144A - 一种基于mems传感器的惯性测量组合的装配体结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS传感器的惯性测量组合的装配体结构，采用了低成本MEMS传感器作为惯性参数敏感元器件，能够实时采集传感器的工作环境温度，并实现陀螺仪惯性参数和温度信号的数字量输出，可降低温度对MEMS器件精度影响，避免了加速度计与陀螺仪数模转换的信号干扰，具有体积小、成本低、功耗小、输出参数全面的特点。

Description

一种基于MEMS传感器的惯性测量组合的装配体结构
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS传感器的惯性测量组合装配体结构，属于惯性测量领域。
背景技术
MEMS惯性测量组合采用MEMS加速度计和MEMS陀螺仪作为惯性参数敏感器件，具有体积小、质量轻、易于集成化、价格低、功耗小等优点，广泛应用于航空航天、智能手机、汽车控制、辅助导航等领域。MEMS器件较激光、光纤等惯性测量传感器具有精度低、对温度变化敏感的特点，因此控制MEMS传感器的环境温度是提高MEMS惯性测量组合精度的重要方法。
现有技术中加速度信号与陀螺仪信号在数模转换时容易产生相互干扰，且占用空间较大，质量较重，成本较高，复杂的结构不利于电气部分的精细化管理，容易出现电装混乱的状况。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为克服现有技术不足，提供一种基于MEMS 传感器的惯性测量组合的装配体结构，通过增加陀螺仪AD信号处理电路将陀螺仪惯性参数及工作环境温度参数以数字量形式输出，将陀螺仪AD信号处理电路安装固定在基座底部的密闭腔体内，实现物理隔离，防止加速度信号与陀螺仪信号在数模转换时相互干扰。
本发明的技术解决方案是：
一种基于MEMS传感器的惯性测量组合的装配体结构，包括MEMS加速度计电路板、MEMS陀螺仪电路板、陀螺AD信号处理电路板和基座，基座为传感器提供三轴正交安装的基准及陀螺仪AD信号处理电路板安装空间，MEMS 加速度计电路板为X、Y、Z三轴正交设置的单轴MEMS加速度计电路板，感应并输出组合的线加速度模拟信号及加速度计温度模拟信号，MEMS陀螺仪电路板为X、Y、Z三轴正交设置的单轴MEMS陀螺仪电路板，感应并输出组合的角速率模拟信号及陀螺仪温度模拟信号，陀螺AD信号处理电路板为 MEMS陀螺仪电路板供电，同时实时采集角速率模拟信号及陀螺仪温度模拟信号，并将模拟信号转换成数字量信号后对外输出。
MEMS陀螺仪电路板安装平面的垂直度误差在20μm以内。
三个MEMS加速度计电路板的外形尺寸及安装尺寸一致，MEMS加速度计电路板安装平面相互之间的垂直度误差在20μm以内。
同一轴向MEMS加速度计电路板和MEMS陀螺仪电路板的平行度误差在20 μm以内。
基座表面进行黑色瓷质氧极化处理。
基座顶部的两边留有出线槽，三个MEMS加速度计电路板的导线在顶部绑扎成线束后通过左侧走线槽引出，三个MEMS陀螺仪电路板导线在顶部绑扎成线束后通过右侧走线槽引出，基座底部的圆形空腔内安装陀螺仪AD信号处理电路板，基座底部上侧留有走线槽，陀螺AD信号电路板的导线经过走线槽与外部电路连接，基座与外界进行机械连接。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明采用了低成本MEMS传感器作为惯性参数敏感元器件，能够实时采集传感器的工作环境温度，并实现陀螺仪惯性参数和温度信号的数字量输出，可降低温度对MEMS器件精度影响，避免了加速度计与陀螺仪数模转换的信号干扰，具有体积小、成本低、功耗小、输出参数全面的特点。
附图说明
图1为本发明结构原理框图；
图2为本发明结构组件图；
图3为本发明MEMS加速度计电路板外形尺寸图；
图4为本发明MEMS陀螺仪电路板外形尺寸图；
图5为本发明基座结构图；
图6为本发明陀螺AD处理电路板外形尺寸图；
图7为本发明的线缆布置图；
图8为图2的A-A向剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
参见图1，本发明是一种基于低成本的MEMS传感器的惯性测量组合装配体结构，其结构原理框图中由加速度计传感器组件、陀螺仪传感器组件、 1个陀螺仪AD处理电路、1个基座等部分组成。加速度计传感器组件由X、 Y、Z三个单轴MEMS加速度计电路板组成，陀螺仪传感器组件由X、Y、Z三个单轴MEMS陀螺仪电路板组成。
MEMS加速度计电路板、MEMS陀螺仪电路板、陀螺AD信号处理电路板通过螺钉固定在基座上。3个MEMS加速度计三轴正交，感应并输出组合的线加速度模拟信号及加速度计温度模拟信号；3个MEMS陀螺仪亦保证为三轴正交，感应并输出组合的角速率模拟信号及陀螺仪温度模拟信号；陀螺AD 信号处理电路通过24位高精度AD芯片ADS1256实时采集3个单轴MEMS陀螺仪的角速率模拟信号及温度模拟信号，转换后的数字量信号通过SPI串口对外输出。
参见图2、图8所示，MEMS传感器惯性测量组合装配体结构是输出三轴正交线加速度信号、三轴正交角速率信号以及传感器环境温度信号的组合结构；基座为传感器提供了三轴正交安装的基准，并提供了陀螺仪AD信号处理电路板安装空间。
3个单轴MEMS加速度计电路板通过12个M2×6开槽圆柱头螺钉分别固定在基座的X、Y、Z三个方向的安装平面上，其信号线通过基座Z轴正向正 Y侧走线槽1引出。3个单轴MEMS陀螺仪电路板亦通过12个M2×6开槽圆柱头螺钉分别固定在基座的X、Y、Z三个方向的安装平面上，其信号线通过基座Z轴正向负Y侧走线槽2引出；X轴MEMS陀螺仪电路板与X轴MEMS加速度计电路板皆固定在基座的上表面。陀螺仪AD信号处理电路板通过3个 M2×5开槽圆柱头螺钉固定在基座的底面，其信号线通过基座底部的走线槽 3引出。
参见图3所示，本发明低成本MEMS传感器微惯性测量组合装配体结构所用3个单轴加速度计电路板结构尺寸一致。
加速度计电路板外形尺寸19×16×5(mm)，采用四角四点螺钉安装固定，固定孔距如图3所示，电路板布置紧凑，走线合理。
参见图4所示，本发明低成本MEMS传感器微惯性测量组合装配体结构所用3个单轴陀螺仪电路板结构尺寸一致。
陀螺仪电路板尺寸34×20×5(mm)采用四角四点螺钉安装固定，固定孔距如图4所示，电路板布置紧凑，走线合理。
参见图5所示,低成本MEMS传感器惯性测量组合装配体结构的传感器基座最大外形尺寸为Φ60×25，形如六面体，传感器基座上可以安装3个 MEMS加速度计电路板、3个MEMS陀螺仪电路板、1个陀螺AD信号处理电路板。传感器基座的上部放置X轴加速度计、X轴陀螺仪，侧面的C面放置Z 轴加速度计，D面安装Y轴陀螺仪,E面安装Z轴陀螺仪、F面安装Y轴加速度计，基座底部安装陀螺AD信号处理电路板。
3个陀螺仪电路板的外形尺寸及安装尺寸一致，每个电路板通过4个M2 ×5螺钉固定在传感器基座上，为保证3个轴向的正交性，陀螺仪电路板安装平面的垂直度误差在20μm以内；3个加速度计电路板的外形尺寸及安装尺寸一致，每个电路板通过4个M2×5螺钉固定在基座上，加速度计电路板安装平面相互之间的垂直度误差在20μm以内；同一轴向加速度计电路板与陀螺仪电路板的平行度误差在20μm以内。传感器基座顶部的两边留有4× 6的出线槽，3个加速度计的导线在顶部绑扎成线束后通过左侧走线槽引出， 3个陀螺仪的导线在顶部绑扎成线束后通过右侧走线槽引出，传感器基座的底部的圆形空腔内安装陀螺仪AD信号处理电路板，通过Ф35圆上的3个均布螺孔固定到基座上，基座底部的上侧留有5×2的走线槽，陀螺AD信号电路板的各导线经过走线槽与外部电路连接。基座可通过Ф55圆上四个M3的螺孔与外界进行机械连接。
在表面处理上，传感器基座进行了黑色瓷质氧极化处理，有利于吸收外界热量。
参见图6所示，陀螺仪AD信号处理电路主要完成为3个单轴陀螺供电并实时采集3轴陀螺仪角速率信号、3轴陀螺温度信号进行数模转换两种功能。
陀螺仪AD信号处理电路板尺寸Φ34×10(mm)，采用Φ29圆上三点均布的螺钉安装固定方式，固定孔距如图6所示，电路板布置紧凑，走线合理。
参见图7，一种基于低成本MEMS传感器的惯性测量组合装配体结构设计了三个走线槽，有三个走线路径。其中三个MEMS陀螺仪传感器电路板的线缆在基座的上凹面贴左内边走线布置，最终归为一束线束1从走线槽1走出，分为两股A股与B股，A股经走线槽3与基座底部的陀螺AD信号处理板进行连接，AD信号处理后形成线束B′用于输出数字信号参数，B与B′两股线形成线束3；B′线束引出后与A股线进行绑扎成型，外输出的MEMS 陀螺仪数字参数。三个MEMS加速度计传感器电路板的线缆在基座的上凹面贴右内边走线布置，最终归为一束线束2从走线槽2走出绑扎一束，对外输出的MEMS加速度计参数。
低成本MEMS传感器的惯性测量组合装配体结构共含7块电路板，其中三个加速度计电路板、三个陀螺仪电路板以及一个陀螺仪AD信号处理电路板，在进行传感器标定测试前，将电子元器件焊接到电路板，然后将传感器电路板固定在基座上并用预先留有余量的线缆依次进行焊接连接，最终形成加速度计电路板组件和陀螺仪电路板组件。电路板组件的形成有利于电气部分的精细化管理，提高了工作效率，避免了电装混乱状况。
本发明所述一种基于MEMS传感器的惯性测量组合的装配体结构只是用于帮助说明本发明，并不用作限制本发明的具体实施方式，可以根据实际需要进行很多的修改和变化，凡归属于本发明的原理和实际应用，均包含在本发明的保护范围之内，本发明未公开内容为本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种基于MEMS传感器的惯性测量组合的装配体结构，其特征在于，包括MEMS加速度计电路板、MEMS陀螺仪电路板、陀螺AD信号处理电路板和基座，基座为传感器提供三轴正交安装的基准及陀螺仪AD信号处理电路板安装空间，MEMS加速度计电路板为X、Y、Z三轴正交设置的单轴MEMS加速度计电路板，感应并输出组合的线加速度模拟信号及加速度计温度模拟信号，MEMS陀螺仪电路板为X、Y、Z三轴正交设置的单轴MEMS陀螺仪电路板，感应并输出组合的角速率模拟信号及陀螺仪温度模拟信号，陀螺AD信号处理电路板为MEMS陀螺仪电路板供电，同时实时采集角速率模拟信号及陀螺仪温度模拟信号，并将模拟信号转换成数字量信号后对外输出。
2.如权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的惯性测量组合的装配体结构，其特征在于，MEMS陀螺仪电路板安装平面的垂直度误差在20μm以内。
3.如权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的惯性测量组合的装配体结构，其特征在于，三个MEMS加速度计电路板的外形尺寸及安装尺寸一致，MEMS加速度计电路板安装平面相互之间的垂直度误差在20μm以内。
4.如权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的惯性测量组合的装配体结构，其特征在于，同一轴向MEMS加速度计电路板和MEMS陀螺仪电路板的平行度误差在20μm以内。
5.如权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的惯性测量组合的装配体结构，其特征在于，基座表面进行黑色瓷质氧极化处理。
6.如权利要求1所述的一种基于MEMS传感器的惯性测量组合的装配体结构，其特征在于，基座顶部的两边留有出线槽，三个MEMS加速度计电路板的导线在顶部绑扎成线束后通过左侧走线槽引出，三个MEMS陀螺仪电路板导线在顶部绑扎成线束后通过右侧走线槽引出，基座底部的圆形空腔内安装陀螺仪AD信号处理电路板，基座底部上侧留有走线槽，陀螺AD信号电路板的导线经过走线槽与外部电路连接，基座与外界进行机械连接。
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