硅電容式高精度雙軸傾角傳感器溫度漂移補償研究

龔中良， 劉寒霜

(中南林業科技大學 機電工程學院，湖南 長沙 410004)

0 引 言

傾角傳感器常用于傾斜角的測量被廣泛應用在各種領域中，如在軍事、建筑、機械等都有著十分重要的作用，作為一種監測工具，它已成為在航空航海、橋梁架設、工業自動化、智能平臺不可缺少的重要測量工具，對于高精度激光儀器水平、雷達車輛平臺檢測、衛星通信車姿態檢測就需要傾角傳感器更高精度的測量[1]。由于傾角傳感器經常工作在環境惡劣的場合，隨著環境溫度的變化，電子元器件的溫度系數其輸出信號產生溫度漂移，會帶來較大的測量誤差，并且影響零點和靈敏度值的大小[2]，從而影響傳感器的靜特性，所以,有必要采取措施以降低或消除溫度變化帶來的影響[3,4]。軟件補償法是在微處理器基礎上，對傳感器誤差特性進行建模[5,6]，通過實驗進行誤差分離和補償可以完全克服這些缺點，成為了目前溫度漂移補償方法的熱門途徑[7～10]。

針對傾角傳感器的溫度漂移誤差，建立溫度這一自變量的補償模型，通過該模型和最小二乘法計算分析得到補償后的傾角值并分析與實際應用時的傾角誤差值。

1 傾角傳感器原理及溫度漂移補償特性

1.1 傾角傳感器測量原理

該傾角傳感器選用的是微電子機械系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度計作為主要測量元器件，其內部結構如圖1所示。

該結構由一對定極板和一動極板，動極板與橫梁相連，橫梁在兩個固定的硅基片沿彈簧方向放置，其中的彈簧并非真正的彈簧，而是由硅材料經過立體加工形成的一種力學結構，它在加速度計中的作用相當于彈簧，動極板上下兩面有電鍍層，與定極板組成一組差動電容，轉換成電壓信號輸出，繼而計算出加速度大小，再結合重力加速度求出最終的傾角。

圖1 差分硅電容式加速度計結構框圖

1.2 測量系統硬件結構

傾角傳感器最主要的敏感元件是加速度計，如圖2，當傳感器受溫度作用時，加速度計監測的數據經過信號調理與濾波發送到A/D轉換器進行處理，處理后的數據同溫度傳感器采集到的溫度信號輸送到微處理器處理，處理后的信號通過CANopen協議發送到上位機軟件顯示。

2 傾角傳感器溫度漂移補償建模

上位機軟件采集到的數據，經過數據進制轉換輸出得到角度值y，與自變量溫度T之間的函數呈現為非線性，為了更好的補償溫度帶給傳感器的誤差，本文采用分段非線性函數，該函數表達式為

(1)

式(1)即為傾角傳感器溫度補償模型，該模型分兩段：低溫階段和高溫階段，由于實驗情況和為了數據的準確性，需以常溫處作為節點。通過算法對傳感器溫度和角度數據進行溫度補償建模，提高了傳感器測量精度。補償原理如圖2所示。

圖2 傾角傳感器溫度補償原理

3 傾角傳感器溫度補償方法

本文應用最小二乘多項式分段函數非線性曲線擬合溫度漂移補償方法。以下是補償方法步驟：1)傾角傳感器經過實驗在上位機軟件上將讀取出的數據進行進制轉換處理，溫度每隔一攝氏度會有大量的數據，為了實驗的準確性和減少測量誤差，將同一溫度下的數據每50個數取一平均值，之后將同一溫度下所有的平均值再取平均值。2)將最終得到的平均值與設定溫度(常溫下)的平均值做差值，所得到的差值為誤差補償值θ，將初始檢測得到的處理后的數據(實測值θ′)與誤差補償值之和即為補償后的傾角值。3)針對這差值做最小二乘分段擬合曲線進行誤差補償。

4 傾角傳感器溫度補償實驗

實際實驗中采用完全相同的方法對相同的裝置進行三次實驗，以檢驗實驗的重復性。取3次實驗的平均值進行說明。實驗裝置如圖3。

圖3 實驗裝置平臺

所需要的實驗器具：高精度雙軸傾角傳感器、恒溫恒濕箱、24 V開關電源、CANalyst—Ⅱ、上位機。將傾角傳感器固定在分度臺平面上放入恒溫恒濕箱中，實驗過程中不得移動，傳感器其中兩根線連接24 V開關電源正負極，另兩根線與CANalyst-Ⅱ連接，測得的數據通過USB與PC連接，在上位機軟件上讀取并存儲實驗數據。所選用的恒溫恒濕箱溫度范圍在-60～150 ℃，溫度波動度±0.5 ℃，溫度偏差±1～1.5 ℃。

低溫實驗：將恒溫恒濕箱設置溫度為-36 ℃，實驗時由于箱體的振動會產生粗大誤差，所以需關閉恒溫恒濕箱使其自然升溫，同時打開USB_CAN TOOL上位機軟件記錄數據，直至升溫至室溫停止記錄。

表1 雙軸傾角傳感器角度差值

根據表1實測值和誤差值數據繪制高低溫雙軸傾角傳感器輸出傾角誤差補償曲線如圖4所示。X，Y軸標定值以20 ℃下采集的數據為基準。圖4可以看出，補償前低溫階段X軸傾角值在0.25°上下浮動，Y軸傾角值在-0.05°～0.35°之間，高溫階段X軸傾角值在0.25°上下浮動，Y軸傾角值在-0.05°～0.25°之間，補償后X，Y軸的傾角值趨向于所標定的角度值附近，實際值與標定值之差為傾角傳感器誤差精度：X軸傾角誤差范圍-0.007°～0.009°，Y軸傾角誤差范圍-0.009°～0.008°。

圖4 誤差補償結果

5 結 論