CN113985946A - 应用于mems倾角传感器的微型恒温腔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于MEMS倾角传感器的微型恒温腔，是在底座上设置有外壳，在外壳的顶部设置有散热片，在外壳的顶部设置有隔热环，该隔热环套装在铝导热工件上，在铝导热工件的上部分的环形凸台与隔热环的内侧壁之间的空腔中设置有TEC制冷片；在铝导热工件底部的环形腔上设置有电路板；在电路板上，并处于环形腔内设置有传感器模块；在散热片上开设有通向所述电路板的通讯线孔以及通向TEC制冷片的TEC驱动线孔，用于将所述传感器模块和TEC制冷片的与外部的控制模块连接；在所述外壳与底座组成的封闭空间内填充有聚氨酯隔热材料。本发明通过为MEMS倾角传感器构建恒温的工作条件来解决温漂问题，从而极大地提高了输出精度。
Description
技术领域
本发明涉及角度测量技术领域，具体的说是一种微型恒温腔结合PID温度控制模块的MEMS倾角传感器。
背景技术
MEMS倾角传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、抗冲击性强、抗震性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点，并且相对于传统的机械式水平仪，它可以直接测量被测物与水平面的倾角，具有很高的测量精度和测量范围。因此MEMS倾角传感器在很多应用场合中都能见到，如高精度激光仪器水平、工程机械设备调平、远距离测距仪器、高空平台安全保护、定向卫星通讯天线的俯仰角测量、船舶航行姿态测量、盾构顶管应用、大坝检测、地质设备倾斜监测、火炮炮管初射角度测量、雷达车辆平台检测、卫星通讯车姿态检测以及微纳米三坐标测量机的宏微动台等一些精密仪器设备的安装角度调试。但MEMS倾角传感器对温度比较敏感，温漂较大，严重的影响的MEMS倾角传感器设备的输出精度。
现在MEMS倾角传感器解决温漂问题基本都是通过温漂曲线拟合标定的方式。该方式需要将倾角测量设备放置于一个可以调节温度的大型恒温控制设备中，然后采集倾角测量设备在不同角度下温度从低到高整个范围内的角度漂移量，然后将不同角度下的随温度变化的角度漂移数据进行曲线拟合，最后倾角测量设备需要根据此刻的温度将此刻的输出角度减去温漂曲线拟合求得的角度漂移量，才能输出实际的角度。该方式操作复杂，需要专用的大型恒温控制设备，工作量庞大，最后倾角测量设备通过漂曲线拟合求出的角度精度不高。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种应用于MEMS倾角传感器的微型恒温腔，以期能通过为MEMS倾角传感器构建恒温的工作条件来解决其温漂问题，从而能提高MEMS倾角传感器设备的输出精度。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种应用于MEMS倾角传感器的微型恒温腔的特点在于，在底座上设置有外壳，在所述外壳的顶部设置有散热片，在所述外壳的顶部中心处开设有通孔，在所述通孔内设置有隔热环，并通过螺钉固定在所述散热片上，所述隔热环套装在铝导热工件上，所述铝导热工件是由环形凸台和底部的环形腔构成，在所述铝导热工件的上表面与隔热环的内侧壁之间的空腔中设置有TEC制冷片；在所述环形腔的底部设置有电路板；在所述电路板上，并处于所述环形腔内设置有传感器模块；在散热片上开设有通向所述电路板的通讯线孔，用于将所述传感器模块的通讯线与外部的控制模块连接；在散热片上还开设有通向TEC制冷片的TEC驱动线孔，用于将TEC制冷片的驱动线与外部的控制模块连接；在所述外壳与底座组成的封闭空间内填充有聚氨酯隔热材料；
本发明所述的应用于MEMS倾角传感器的微型恒温腔的特点也在于，所述传感器模块包含MEMS倾角传感器、二阶滤波电路、A/D转换电路、温度传感器；
所述控制模块包含单片机、TEC温度控制电路、显示模块；
所述温度传感器实时采集所述环形腔的当前温度并通过通讯线传输给单片机进行处理；
所述单片机将环形腔的当前温度通过所述显示模块进行显示，并将当前温度与设定的温度进行比较，得到的差值经过PID运算后，控制所述TEC温度控制电路输出相应的控制电流，并通过所述TEC制冷片的驱动线传输给所述TEC制冷片，从而由所述TEC制冷片对环形腔的温度进行恒温控制；
所述MEMS倾角传感器实时采集所述底座下方被测物的倾角度，并经过所述二阶滤波电路和A/D转换电路的处理后，并通过通讯线传输给单片机；
所述单片机将所接收到的角度信号通过所述显示模块进行显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过设计微型恒温腔结合PID温度控制模块为MEMS倾角传感器模块构建恒温的工作条件来解决温漂问题，具有操作简单，工作量小的特点，MEMS倾角传感器工作环境温度恒定，温度控制精度可以达到±0.1摄氏度，极大的提高了MEMS倾角传感器设备的输出精度。同时本发明微型恒温腔中电路板上的传感器模块和铝工件下部分的环形腔之间可以通过填充绝缘且导热系数高的导热硅脂材料，使得环形腔内温度传递均匀，温度控制时间更快；且该微型恒温腔体积小，其传感器模块和控制模块可分离，当使用时，通过接口连接即可，非常便携方便。
附图说明
图1为本发明微型恒温腔的构剖图；
图2为本发明微型恒温腔的各部分零件图；
图3为本发明微型恒温腔的立体结构图；
图4为本发明控制模块的控制流程图；
图中标号：1-传感模块通讯线孔；2-散热片；3-外壳；4-聚氨酯隔热材料；5-底座；6-TEC制冷片；7-TEC驱动线孔；8-ABS环形隔热层；9-铝导热材料工件；10-绝缘导热硅脂填充的环形腔；11-环形腔内的传感器模块；12-电路板。
具体实施方式
本实施例中，一种应用于MEMS倾角传感器的微型恒温腔，如图3所示，在底座5上设置有外壳3，在外壳3的顶部设置有散热片2，如图2所示，在外壳3的顶部中心处开设有通孔，在2孔内设置有隔热环8，隔热环8中有与散热片8匹配的螺纹孔，可通过螺钉固定在散热片2上，如图1所示，隔热环8套装在铝导热工件9上，铝导热工件9是由环形凸台和底部的环形腔10构成，在铝导热工件9的上表面与隔热环8的内侧壁之间的空腔中设置有TEC制冷片6；在环形腔10的底部设置有电路板12；在电路板12上，并处于环形腔10内设置有传感器模块11；在电路板12、铝导热工件9上有与ABS隔热环8匹配的螺纹孔。电路板12和铝导热工件9可通过螺钉固定在ABS隔热环8上。在散热片2上开设有通向电路板12的通讯线孔1，用于将传感器模块11的通讯线与外部的控制模块连接；在散热片2上还开设有通向TEC制冷片6的TEC驱动线孔7，用于将TEC制冷片6的驱动线与外部的控制模块连接；在外壳3与底座5组成的封闭空间内填充有聚氨酯隔热材料4；
本实施例中，传感器模块11包含MEMS倾角传感器、二阶滤波电路、A/D转换电路、温度传感器；具体实施中，微型恒温腔中电路板12上的传感器模块11和铝工件9下部分的环形腔10之间可以通过填充绝缘且导热系数高的导热硅脂材料，使得环形腔10内温度传递均匀，温度控制时间更快。
外壳3与底座5组成的封闭空间内填充有聚氨酯隔热材料4以及ABS隔热环是用于减少环形腔10和图1所示微型恒温腔外部环境温度之间的热传递，保持环形腔内部的温度稳定；
控制模块包含单片机、TEC温度控制电路、显示模块；
具体的PID温度控制流程如图4所示：
初始时刻，环形腔10内部温度与外部环境温度一致，温度传感器实时采集环形腔10的当前温度并通过通讯线传输给单片机进行处理；
单片机将环形腔10的当前温度通过显示模块进行显示，并将当前温度与设定的温度进行比较，当环形腔10内部温度高于设定的温度，单片机将得到的差值经过PID运算后，控制TEC温度控制电路输出相应的制冷控制电流，并通过TEC制冷片6的驱动线传输给TEC制冷片6，从而由TEC制冷片6对环形腔10的温度进行制冷控制；中间制冷过程中，若是当前温度高于设定温度，继续制冷；若是当前温度低于设定的温度，则停止制冷，环形腔10内温度由传感器模块11的功耗产热提升，直到两者达到平衡为止。
同理，初始时若环形腔10内部温度低于设定温度，单片机将环形腔10内当前温度与设定温度比较经过PID运算后控制TEC进行加热，中间加热过程中，若是当前温度低于设定温度，继续加热，若是当前温度高于设定温度，停止加热，环形腔10内温度自然降低，直到两者达到平衡为止。这样操作也能降低对TEC制冷片频繁正反向电流控制其加热或者制冷操作，提高其使用寿命。
MEMS倾角传感器实时采集底座5下方被测物的倾角度，并经过二阶滤波电路和A/D转换电路的处理后，并通过通讯线传输给单片机；
单片机将所接收到的角度信号通过显示模块进行显示。
本实施例中，传感器模块和控制模块分离，当使用时，通过接口连接即可。控制模块负责微型恒温腔内部的传感器模块的温度控制以及角度信息的处理。采用微型恒温腔结合PID温度控制模块为MEMS倾角感器模块构建恒温的工作条件，温度控制精度可以达到±0.1摄氏度，可以有效地解决MEMS倾角传感器的温漂问题，且该系统角度数据经过误差分离和修正以及滤波处理后，可以实时显示角度数据。测量范围为±15°，精度达到±18″，工作温度可在0℃～70℃范围内。同时该系统体积小、操作方便，温度控制恒定，极大的提高了MEMS倾角传感器设备的输出精度。可被广泛在高精度激光仪器水平、工程机械设备调平、远距离测距仪器、高空平台安全保护、定向卫星通讯天线的俯仰角测量、船舶航行姿态测量、盾构顶管应用、大坝检测、地质设备倾斜监测、火炮炮管初射角度测量、雷达车辆平台检测、卫星通讯车姿态检测以及微纳米三坐标测量机的宏微动台等一些精密仪器设备的安装角度调试等中应用。
Claims (2)
1.一种应用于MEMS倾角传感器的微型恒温腔，其特征在于，在底座(5)上设置有外壳(3)，在所述外壳(3)的顶部设置有散热片(2)，在所述外壳(3)的顶部中心处开设有通孔，在所述通孔内设置有隔热环(8)，并通过螺钉固定在所述散热片(2)上，所述隔热环(8)套装在铝导热工件(9)上，所述铝导热工件(9)是由环形凸台和底部的环形腔(10)构成，在所述铝导热工件(9)的上表面与隔热环(8)的内侧壁之间的空腔中设置有TEC制冷片(6)；在所述环形腔(10)的底部设置有电路板(12)；在所述电路板(12)上，并处于所述环形腔(10)内设置有传感器模块(11)；在散热片(2)上开设有通向所述电路板(12)的通讯线孔(1)，用于将所述传感器模块(11)的通讯线与外部的控制模块连接；在散热片(2)上还开设有通向TEC制冷片(6)的TEC驱动线孔(7)，用于将TEC制冷片(6)的驱动线与外部的控制模块连接；在所述外壳(3)与底座(5)组成的封闭空间内填充有聚氨酯隔热材料(4)。
2.根据权利要求1所述的应用于MEMS倾角传感器的微型恒温腔，其特征是，所述传感器模块(11)包含MEMS倾角传感器、二阶滤波电路、A/D转换电路、温度传感器；
所述控制模块包含单片机、TEC温度控制电路、显示模块；
所述温度传感器实时采集所述环形腔(10)的当前温度并通过通讯线传输给单片机进行处理；
所述单片机将环形腔(10)的当前温度通过所述显示模块进行显示，并将当前温度与设定的温度进行比较，得到的差值经过PID运算后，控制所述TEC温度控制电路输出相应的控制电流，并通过所述TEC制冷片(6)的驱动线传输给所述TEC制冷片(6)，从而由所述TEC制冷片(6)对环形腔(10)的温度进行恒温控制；
所述MEMS倾角传感器实时采集所述底座(5)下方被测物的倾角度，并经过所述二阶滤波电路和A/D转换电路的处理后，并通过通讯线传输给单片机；
所述单片机将所接收到的角度信号通过所述显示模块进行显示。
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