具有溫度補償的高精度二維傾角傳感器

張從鵬， 宋來軍

(北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100144)

0 引 言

目前傾角傳感器被廣泛的應用于物體的姿態測量中，比如工程機械設備調平、遠距離測距儀器、雷達車輛平臺檢測、塔式起重機、數控機床等領域。因此，對于傾角傳感器的測量精度與環境適應性提出了很高要求。由于傾角傳感器長期工作在露天等環境惡劣的場合，工作環境溫度變化較大，且溫度變化引起的熱輸出會帶來較大的測量誤差，特別是半導體元件參數隨溫度變化而產生的溫度漂移，將導致傾角傳感器本身存在測量偏差，影響傾角測量的準確度[1]。本文開發的高精度傾角傳感器采用外置16位高精度模/數轉換(analog to digital conversion,ADC)芯片提高測量分辨能力，并基于一種溫度補償的算法來消除溫度變化引起的測量偏差，提高傳感器的測量精度。

1 傳感器系統整體設計

高精度二維傾角傳感器的硬件組成如圖1所示。包括主控模塊、雙軸角度信號采集模塊、電源模塊、數據通訊模塊、溫度采集模塊。

圖1 傳感器的硬件組成

1.1 雙軸角度信號采集電路設計

選用STM32F103作為系統主控芯片，工作頻率72 MHz，SPI接口在全雙工通信模式下通信速率可達18 Mb/s，可以使用DMA操作。選擇SCA100T—D02作為高精度雙軸傾角傳感器芯片，SCA100T—D02是基于3D—MEMS的雙軸傾角傳感器芯片，具有低噪聲、耐沖擊能力高和溫度自補償等優點，分辨率高達0.002 5°，測量范圍-90°～90°[2]。當傳感器的姿態發生變化時，在X方向和Y方向產生α和β的角度，相應的在第11引腳和第5引腳輸出模擬量UX和UY。SCA100T—D02測量原理圖如圖2所示，輸出電壓UX和UY與角度之間的關系如式(1)所示

(1)

式中α為X軸與水平方向的夾角，UX為X軸方向的電壓，U0為傳感器處于水平狀態時X方向的電壓，取2.5 V，S為芯片的靈敏度，取2 V/g。Y軸與X軸有類似的關系式。

圖2 SCA100T—D02測量原理

為了提高傳感器精度，選用16位分辨率的AD7705作為ADC芯片，具有自校準、低功耗等特點[3]。SCA100T—D02輸出的模擬量范圍0.5～4.5 V，AD7705的量程為5 V，進而可計算出AD7705的分辨率為0.000 076 3 V，利用式(1)可計算出傳感器的分辨率為0.003°。AD7705與MCU之間采用SPI通信模式，原理圖如圖3所示。

圖3 雙軸角度信號采集電路

1.2 數據通信電路設計

由于RS—485具有接口簡單、抗干擾強、可多機并聯以及傳輸距離遠等特點，傳感器采用RS—485通信協議[4]。接口芯片選用MAX485，原理圖如圖4(a)所示。

1.3 溫度信號采集電路設計

選用DS18B20作為溫度采集芯片，具有±0.5 ℃的測量精度、溫度測量范圍寬以及采用單總線與MCU通信等優點。原理圖如圖4(b)所示。

圖4 數據通信與溫度采集電路

1.4 溫度補償算法

傳感器的測量結果θ主要由2個參數決定，一個是傳感器在溫度補償前的電壓輸出U，另一個是溫度T。傳感器的最終測量結果θ可以表示為(2)式的函數關系

θ=g(U,T)

(2)

二維坐標(Ui,Tj)所確定的θk在一個平面上，故設U，T，θ的關系式為式(3)

θ=a0+a1U+a2T+a3U2+a4T2+a5UT+σ

(3)

式中σ為高階無窮小，為常系數。若要確定ai(i=0,1,2,3,4,5)，則需要二維標定實驗，在溫度傳感器和傾角傳感器的測量范圍內取若干個實驗點。本實驗中取Tj為-40～100 ℃，每隔10 ℃取一個標定點；θk為-90°～90°，每隔10°取一個標定點，共計15×19組標定點。根據最小二乘法原理，需要使標定點θk與測量值θ偏差的均方誤差Δ最小[5]，即式(4)取最小值

(4)

式中m=15，n=19。若Δ取最小值，則Δ對ai取偏導數并另其為0，聯立方程組即可求解

(5)

2 系統軟件設計

基于MDK—ARM專業版uVision V5.0編程環境，開發了傳感器應用軟件，傳感器上電后先進行時鐘、串口、A/D,SPI、定時器和IO口的初始化。當接收到角度采集指令后，開始進行雙軸角度和溫度的采集，經過數字濾波后[6]，進行溫度補償和信號處理運算，最后通過RS—485通信接口輸出，直至收到停止轉換指令。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程

3 性能測試實驗

傳感器實物圖如圖6(a)所示，測試實驗圖如圖6(b)所示。

圖6 傳感器實物與測試實驗框圖

測試方法及過程為：將傾角測量系統固接在精密電控旋轉臺上放入溫箱中測試。試驗時調溫箱溫度從-20 ℃調節到20 ℃，每隔10 ℃調節一次；電控轉臺從-60°旋轉至60°，每隔30°旋轉一次[7]。具體數據分析如表1所示。

表1 傾角傳感器試驗結果

4 結束語

基于STM32開發了具有溫度補償的高精度二維傾角傳感器，該傳感器具有測量精度高、適用范圍廣、抗干擾能力強等特點。實驗結果表明：該傾角傳感器的滿量程誤差達到0.14 %，測量分辨率達到0.003°，可以滿足工業上的使用要求。