基于MEMS的雙軸高精度測斜儀設(shè)計(jì)

程遠(yuǎn)超，黃 偉，張燕琴，仇 斌

（北京航天控制儀器研究所，北京，100039）

0 引 言

角度測量廣泛應(yīng)用于民用、航空航天及航海等各種領(lǐng)域，對中國國防建設(shè)以及科學(xué)技術(shù)研究起至關(guān)重要的作用[1～5]。但隨著測量要求的不斷提高，在很多應(yīng)用現(xiàn)場，現(xiàn)有的角度測量儀器由于其測量范圍、使用范圍、精度、功耗以及體積等方面，已漸漸無法滿足測量要求。MEMS高精度角度傳感器SCA103T以其啟動(dòng)快、功耗低、可靠性高、精度高、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化而應(yīng)用于各種傾斜角度檢測系統(tǒng)中[6～8]。

本文設(shè)計(jì)的測斜儀采用了高精度傾角傳感器SCA103T、AD7734、ARM STM32F103以及RS232通信線組成硬件結(jié)構(gòu)，經(jīng)軟件補(bǔ)償精度達(dá)到±0.005°，同時(shí)通過上位機(jī)軟件對該傾角測量儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1 測斜儀工作原理

采用2個(gè)VTI高精度單軸MEMS傾角傳感器芯片SCA103T-05D，傳感器有兩個(gè)模擬輸出差分信號和一個(gè)數(shù)字 SPI接口以提供直接信號處理。其中信號差分帶來非常顯著的優(yōu)點(diǎn)：高校準(zhǔn)精度，低溫度漂移，高分辨率、高靈敏度及低噪聲。通過傾角傳感器SCA103T感應(yīng)軸上的重力加速度輸出的兩個(gè)差分信號，經(jīng)過計(jì)算可以轉(zhuǎn)換得到被測設(shè)備的傾斜角度，其測量原理如圖1所示。

圖1 SCA103T傾角傳感器角度測量原理Fig.1 Diagram of Angle Measurement Principle of Inclinometer Sensor SCA103T

傳感器輸出與傾斜角度α有以下關(guān)系：

式中 α為傳感器傾斜角度，即被測傾斜角度； Vout1、Vout2為傳感器輸出的差分電壓大?。籚offset為傳感器的零偏； k1為傾角傳感器SCA103T標(biāo)度因數(shù)：16 V/g。

由以上電壓和角度對應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)了角度信息的測量，它是以重力為輸入矢量在空間的狀態(tài)為基準(zhǔn)，進(jìn)而反應(yīng)出被測設(shè)備的角度。把測斜儀固定在設(shè)備的表面，當(dāng)設(shè)備沿某一軸有角度改變時(shí)，測斜儀的敏感軸也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，由于重力的作用，測斜儀對應(yīng)該敏感軸上的加速度會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而輸出的差分電壓也會(huì)發(fā)生變化，因此可以根據(jù)MEMS傾角傳感器輸出信息的變化來反映被測設(shè)備或物體的角度偏轉(zhuǎn)。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

該高精度雙軸測斜儀硬件系統(tǒng)由SCA103T-05D及外圍電路、濾波電路、AD采集電路、STM32F103及其外圍電路、數(shù)據(jù)通信電路等組成。其硬件系統(tǒng)框圖見圖2。

圖2 電路系統(tǒng)Fig.2 Block Diagram of Circuit System

該雙軸測斜儀采用+12 V供電，通過LDO將12 V轉(zhuǎn)化成5 V、3.3 V、2.5 V等各模塊所需的電壓值；MEMS傳感器的測量角度為±30°，當(dāng)傳感器在相應(yīng)敏感軸方向有角度變化時(shí)，輸出的差分電壓會(huì)對應(yīng)變化，再經(jīng)過調(diào)理電路中的濾波電路，送給ADC，ADC采集到的電壓輸入范圍為 0～5 V，處理器再通過控制ADC進(jìn)行相應(yīng)角度解算。

為了保證整個(gè)系統(tǒng)的測量精度，A/D使用AD公司的AD7734。該A/D具有24-bit高分辨率，輸入電壓范圍可以設(shè)置為+5 V、±5 V、+10 V、±10 V，供電電壓為5 V，采用SPI通信，可以同時(shí)采集4路信號，已成功用于多個(gè)工程項(xiàng)目，技術(shù)比較成熟。本文所提到的高精度雙軸測斜儀系統(tǒng)僅需要同時(shí)采集兩只傾角傳感器的差分輸出信號。因采集到的電壓范圍為0～5 V左右，故在程序AD初始化中，將AD的采樣輸入電壓范圍設(shè)置為+5 V。

STM32F103內(nèi)核是32-bit Cortex-M3處理器，最大時(shí)鐘頻率可以達(dá)到72 MHz，擁有足夠的外設(shè)資源，包括2個(gè)16-bit看門狗定時(shí)器、定時(shí)器、2個(gè)SPI，2個(gè)I2C以及3個(gè)串行通信模塊等，芯片價(jià)格低、功耗低、外設(shè)資源足夠、處理速度快，滿足使用要求。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 程序流程

程序設(shè)計(jì)包括 SPI通信、數(shù)據(jù)處理、串口通信、定時(shí)等。測斜儀加電后自動(dòng)開始工作，首先STM32F103對使用到的各個(gè)片上資源及外部被控制器件進(jìn)行配置，然后主函數(shù)不斷循環(huán)采集、濾波、計(jì)算、補(bǔ)償、濾波，直到定時(shí)中斷發(fā)生，該中斷在串口中斷服務(wù)子程序中實(shí)現(xiàn)，中斷完成后再返回主函數(shù)，不斷循環(huán)采集處理、中斷、發(fā)送，其軟件系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)流程Fig.3 The Flow Chart of the Software System

3.2 角度精度補(bǔ)償

利用標(biāo)定裝置對該測斜儀進(jìn)行初步測試后，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，設(shè)計(jì)中采用的是六階分段式多項(xiàng)式擬合，根據(jù)擬合系數(shù)將角度進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到預(yù)期精度的輸出。

設(shè)采集角度為),,,(…210=iXi，對應(yīng)欲補(bǔ)償?shù)睦硐胼敵鼋嵌葹?,,,(…210=iYi，其中，X0為測斜儀的零位輸出。由于零位對輸出有影響，故將每次采集的角度扣除掉零位，可得采集的有效角度為

則，比例系數(shù)Ki為

通過已知數(shù)據(jù)可以擬合出補(bǔ)償多項(xiàng)式，記為f ( Xi1)，則輸出角度 Yi1為

上述即為該測斜儀角度補(bǔ)償方法。

3.3 上位機(jī)采集

圖 4為上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件示意。設(shè)計(jì)中STM32F103通過RS232串口每隔0.5 s發(fā)送一次角度數(shù)據(jù)，采集軟件只需要接收角度數(shù)據(jù)，采用LABVIEW編寫上位機(jī)軟件，設(shè)置相應(yīng)波特率及串口號，可以實(shí)時(shí)顯示測斜儀發(fā)送的X、Y軸角度值，方便數(shù)據(jù)采集和測試測斜儀性能。

圖4 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集Fig.4 The Data Acquisition of Upper Computer

4 數(shù)據(jù)分析

測試過程中，采用逐點(diǎn)間隔1°測試該測斜儀輸出的方式，分別測試該MEMS傾角測斜儀在0～30°位置對應(yīng)輸出的角度值，測試設(shè)備采用 JST-200數(shù)字雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)，有效分辨率為1″，置于大理石平板上進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定。通過測試結(jié)果表明X、Y兩軸測試結(jié)果相差不大，均達(dá)到預(yù)期要求。

4.1 補(bǔ)償前精度分析

對沒有補(bǔ)償?shù)臏y斜儀進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖 5所示。

圖5 補(bǔ)償前角度與輸入角度之差Fig.5 Subscription of Input and Output Without Compensation

由數(shù)據(jù)及圖5可知，補(bǔ)償前在滿量程情況下測斜儀角度輸出最大誤差超過1°，且輸出角度越大，誤差也越大，滿足不了實(shí)際應(yīng)用需求。

4.2 補(bǔ)償后精度分析

對補(bǔ)償前數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合，可以得出相應(yīng)的滿足輸出要求的六階補(bǔ)償系數(shù)，通過角度補(bǔ)償后的測試數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 補(bǔ)償后角度與輸入角度之差Fig.6 Subscription of Input and Output with Compensation

由圖5、圖6可知，經(jīng)過數(shù)據(jù)補(bǔ)償，0～±30 °范圍內(nèi)測斜儀的輸出精度優(yōu)于0.005 °。

4.3 0°時(shí)2 h穩(wěn)定性分析

將測斜儀置于0 °，進(jìn)行2 h穩(wěn)定性測試，外界溫度環(huán)境為（20±2）℃，預(yù)熱 15 min后，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 X、Y軸0°時(shí)2 h穩(wěn)定性Fig.7 Two Hours Stability of the Two Axis at 0°

結(jié)果表明，在 0°時(shí)，兩軸的穩(wěn)定性基本包絡(luò)在0.005 °內(nèi)，達(dá)到了較好的穩(wěn)定性。

4.4 重復(fù)性

對測斜儀的兩個(gè)軸進(jìn)行重復(fù)性測試，外界溫度環(huán)境一致為（20±2）℃，保持測試狀態(tài)的一致性，共測試4組，由于數(shù)據(jù)曲線較多，而且測試結(jié)果表明X、Y均滿足精度±0.005 °水平，為便于觀察，只給出 X軸正、負(fù)方向的角度數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示。

圖8 輸出角度與輸入角度之差的重復(fù)性Fig.8 Repeatability of the Subscription of Input and Output

經(jīng)過多次重復(fù)測量，結(jié)果表明測斜儀數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，一致性較好，達(dá)到±0.005 °的精度。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的高精度傾角測斜儀具有體積小、重量輕、精度高、功耗低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在全量程0～±30 °測量范圍內(nèi)，精度達(dá)到±0.005 °，2 h穩(wěn)定測量精度達(dá)到±0.005 °，適應(yīng)于精度要求高的場合?？梢詰?yīng)用到民用領(lǐng)域及航空航天等國防軍事領(lǐng)域。