具有溫度補(bǔ)償及零位自校準(zhǔn)的角速度傳感器設(shè)計(jì)

盧穎 盧耀文 霍利鋒

摘 要：設(shè)計(jì)了一種具有溫度補(bǔ)償和零位自動校準(zhǔn)的角速度傳感器。通過MAX1452AAE對單軸陀螺進(jìn)行溫度補(bǔ)償，由單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和上電零位自動校準(zhǔn)，并通過內(nèi)部存儲的標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)換成測量值，通過RS422接口輸出。試驗(yàn)證明，經(jīng)過校準(zhǔn)后的傳感器輸出精度及零位穩(wěn)定性均有了明顯的提高。

關(guān)鍵詞：溫度補(bǔ)償；零位校準(zhǔn)；數(shù)據(jù)采集

引言

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）微機(jī)電系統(tǒng)是伴隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前MEMS加工技術(shù)在傳感器領(lǐng)域應(yīng)用很多。根據(jù)諧振器陀螺儀的原理，MEMS結(jié)構(gòu)也可以做成角速度傳感器進(jìn)行測試[1]。由于制作工藝等原因，目前MEMS陀螺的精度仍然比較低。但是在許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)y量精度要求高、工作溫度范圍寬、可靠性高等要求的滿足，故需對角速度傳感器應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償是提高其精度的一個(gè)重要手段[2]。

1 角速度傳感器簡介

1.1 產(chǎn)品特點(diǎn)

角速度傳感器是基于ADI公司的MEMS集成微機(jī)械系統(tǒng)的單軸陀螺。ADI公司研制了商用陀螺儀產(chǎn)品ADXRS401，它將敏感單元和檢測電路集成在一起，從而減少了噪聲信號對輸出的影響，同時(shí)也使芯片的體積和功耗大幅減小[3]，綜合考慮選用了ADXRS401。單軸陀螺測量范圍±50°/s，測量精度為≤1%，數(shù)字RS422形式輸出。

1.2 產(chǎn)品基本工作原理

角速度傳感器主要由MEMS單軸陀螺、電源電路、信號調(diào)理電路及數(shù)據(jù)采編模塊等組成，主要的工作原理見圖1所示。核心器件單軸陀螺是選擇AD公司的MEMS角速度傳感器型號為ADXRS401。后級接信號調(diào)理器MAX1452AAE進(jìn)行放大調(diào)理，達(dá)到模擬輸出范圍為0V～5V，數(shù)據(jù)采編模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，編碼及發(fā)送，采用RS422協(xié)議形式送至后端設(shè)備。

MAX1452AAE信號調(diào)理芯片能夠?qū)屋S陀螺模擬信號進(jìn)行放大及溫度補(bǔ)償。

1.3 產(chǎn)品應(yīng)用

角加速度傳感器，除應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，還大量地應(yīng)用在測試方面：如導(dǎo)彈尾罩分離時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度測量；飛機(jī)的機(jī)動性能測試，交通工具的啟動及剎車性能的測試[4]；在精密機(jī)械設(shè)備中，通過測量齒輪的角加速度來研究齒輪傳動裝置的傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性?？傊?，角加速度傳感器在多種行業(yè)及領(lǐng)域中均有較為廣泛的應(yīng)用前景。[4]

2 角速度傳感器的零位校準(zhǔn)補(bǔ)償

2.1 硬件溫度補(bǔ)償

因?yàn)闇囟鹊牟煌?，會造成陀螺?nèi)部結(jié)構(gòu)微小變形和檢測電路溫漂等因素，產(chǎn)生相應(yīng)誤差。

溫漂是指傳感器的輸出隨著溫度變化產(chǎn)生的零偏，比例漂移是指刻度值比例偏差，并假設(shè)在特定區(qū)間內(nèi)為線性變化[5]。本次設(shè)計(jì)選用了MAXIM公司的MAX1452AAE信號調(diào)理器能夠?qū)崿F(xiàn)對零位溫度補(bǔ)償功能，MAX1452結(jié)構(gòu)包含一個(gè)可編程傳感器激勵(lì)、一個(gè)16級可編程增益放大器（PGA）、一個(gè)768字節(jié)（6144位）內(nèi)部EEPROM、四個(gè)16位DAC、一個(gè)通用的運(yùn)算放大器以及一個(gè)內(nèi)嵌的溫度傳感器。除偏移量和跨度補(bǔ)償外，MAX1452AAE還利用偏移量的溫度系數(shù)（TC）和跨度溫度系數(shù)（FSOTC）提供獨(dú)特的溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償原理見圖2所示。根據(jù)試驗(yàn)測量得到溫漂曲線，通過1452軟件對溫度范圍內(nèi)各點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)，校準(zhǔn)軟件人機(jī)界面見圖3所示，根據(jù)一定算法可得出對應(yīng)的補(bǔ)償曲線，最終擬合可得到理想的輸出曲線，零位輸出可得到明顯校準(zhǔn)。

2.2 角速度傳感器零位校準(zhǔn)

軟件編寫程序流程圖見圖4所示。系統(tǒng)軟件由初始化程序、零位修正、數(shù)據(jù)采集發(fā)送及參數(shù)設(shè)置組成。由于MEMS的加工工藝特點(diǎn)，固有存在的零漂重復(fù)性差的問題，在硬件方面無法有效的提供補(bǔ)償，介于產(chǎn)品是數(shù)字輸出，可以在軟件程序中進(jìn)行零位修正功能。

在產(chǎn)品靜止?fàn)顟B(tài)上電后10s期間進(jìn)行零位修正功能，對連續(xù)采集8次的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加求和，取平均值后與零位數(shù)據(jù)相比較得出零位漂移值，在發(fā)送時(shí)將采集到數(shù)據(jù)減去零位漂移值即可得到校準(zhǔn)后數(shù)據(jù)。在軟件中程序中采用了過采樣實(shí)現(xiàn)了數(shù)字平滑濾波功能，有效的較低了輸出噪聲。

2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

角速度傳感器數(shù)據(jù)輸出為串口信號，串口輸出RS422協(xié)議為：波特率為115200bps，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，共10位；高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。一幀數(shù)據(jù)包括7個(gè)字節(jié)，幀格式見表1所示。

采用單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換電路將模擬電路的0V～5V，零位為2.5V，經(jīng)過A/D對應(yīng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量0～255，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到一個(gè)帶符號的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)乘以標(biāo)定系數(shù)得到最終輸出物理量，數(shù)碼轉(zhuǎn)換流程見圖5所示。

3 角速度傳感器上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)角速度傳感器的精度要求，設(shè)計(jì)了上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，便于在產(chǎn)品調(diào)試、試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)記錄、處理。數(shù)據(jù)處理軟件完成數(shù)據(jù)的回收、實(shí)時(shí)顯示、線性方程擬合及數(shù)據(jù)繪圖等功能，在調(diào)試、試驗(yàn)中能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的問題，制定解決方案。具體界面見圖6所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

角速度傳感器放置在0°/s靜止?fàn)顟B(tài)下，未進(jìn)行零位校準(zhǔn)的產(chǎn)品與校準(zhǔn)后的產(chǎn)品輸出情況見表2所示。從輸出圖像中明顯看出未校準(zhǔn)的產(chǎn)品X軸的零位輸出已經(jīng)偏移到-3.5°/s，超出了≤1%的精度要求，Y軸與Z軸均在精度范圍內(nèi)，產(chǎn)品的一致性比較差。同樣的產(chǎn)品經(jīng)過零位校準(zhǔn)處理后，將X軸的零位偏移校準(zhǔn)到精度要求范圍內(nèi)，保持了三軸向的輸出一致，校準(zhǔn)效果明顯。

角速度傳感器在經(jīng)過零位校準(zhǔn)及溫度補(bǔ)償后，在三軸轉(zhuǎn)臺進(jìn)行滿量程±50°/s的標(biāo)定，其中一軸向的標(biāo)定數(shù)據(jù)見圖7所示。

5 結(jié)束語

MEMS傳感器的各方面特性表明其技術(shù)發(fā)展在諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，是否能夠抑制其不穩(wěn)定性誤差，對測量的精度起到至關(guān)重要的意義。通過校準(zhǔn)補(bǔ)償前后驗(yàn)證試驗(yàn)的對比，角速度傳感器在靜態(tài)情況下的原始輸出值在精度上有所提高，可以看出，應(yīng)用此方法對誤差的補(bǔ)償取得了較好的結(jié)果。從工程實(shí)用的角度設(shè)計(jì)出更方便上位機(jī)操作軟件，使整個(gè)校準(zhǔn)試驗(yàn)流程能夠更快捷的完成。

參考文獻(xiàn)

[1]李明.MEMS慣性傳感器在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013（21）：76.

[2]田文超.微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）原理、設(shè)計(jì)和分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[3]李志信，羅小兵，過曾元.MEMS技術(shù)的現(xiàn)狀與未來趨勢[J].傳感器技術(shù)，2001，20（9）：20～21

[4]于波.角加速度傳感器的研究與應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社，1983.

[5]李文成.基于兩軸角傳感器的機(jī)動測控裝備自動調(diào)平系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（33）：159.

作者簡介：盧穎（1983-），女，山西太原人，中北大學(xué)在職研究生。研究方向：電子信息技術(shù)應(yīng)用。