基于MEMS加速度传感器的数字倾角仪设计.pdf

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1、134传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2010年第29卷第6期?＼前沿技术、0基于MEMS加速度传感器的数字倾角仪设计沙承贤，李杰，翟成瑞，王博，胡丽丽(中北大学电子测试技术国家重点实验室。山西太原030051)摘要：利用MEMS加速度传感器设计了倾角测试仪，并利用单片机进行了数据线性化、传感器温度和上电稳定特性等补偿，倾斜角可以通过LCD或上位机显示。实验表明：本系统倾角测量精度可达±O．2。，具有很好的工作稳定性和较高的性价比，使用上也更加灵活。关键词：倾角仪；MEMS加速度传感

2、器；温度补偿；上电稳定特性补偿中图分类号：TP217．1文献标识码：A文章编号：1000--9787(2010)06--0134-03Designofditalinclinometerbased0nMEMS1．·，kaccelerationSensorSHACheng．xian，LIJie，ZHAICheng．rui，WANGBo，HULi—li(NationalKeyLaboratoryofElectronicMeasurementTechnology，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China)

3、Abstract：Di~tMinclinometerisdesigned，usingMEMSaccelerationsensor．Datalinearization，temperatureandstablecharacteristicsofelectricitycompensationarerealizedusingMCU．InclinationanglecanbedisplayedbyLCDorPC．Theexperimentshowsthatanglemeasurementprecisioncanreach±0．2。andithasgo

4、odstabilityandhiighperformance-to·priceratio．Itismoreflexibleforuse．Keywords：inclinometer；MEMSaccelerationsensor；temperaturecompensation；stablecharacteristicsofelectricitycompensation0引言响，并采用MEMS技术的加速度传感器具有精度较高、体目前，很多工程应用中都需要一个水平基准或对倾角积小、成本低等特点，比较适合本设计的应用。进行测量，并将数据输入到计算机进行

5、保存或处理。针对当加速度传感器的位置如图1所示时，加速度和倾斜上述需求，一方面，本文设计的倾角仪采用了MEMS加速角之间的关系为度传感器，C8051F021，LCD液晶和USB数据通信组成的硬A=gc0s卢，(1)式中A为灵敏轴输出；g为以重力作为参考的加速度件结构，使得整个电路体积小、方便携带、通信方式灵活，另值；卢为倾斜角度。所以，卢的值可以通过反余弦方程求得一方面，软件上不但对传感器的零点温度漂移进行了补偿，-'COS(A／g)．(2)而且，对传感器上电稳定特性进行了实验和比较有效的补二维倾角的测量原理如上一致，加速度传感器相互正偿，

6、使得所设计的倾角测量仪开机即可测量，节约了工作时交安装，相互独立地获取信息和处理信息。间。1测量原理倾角测量有多种方法，一般借助地磁传感器或加速度传感器。地磁传感器容易受到磁性材料的影响，如，钢、铁等，并且精度有限，如，由PNI公司生产的TCM5在无磁场干扰的图1加速度传感器测量倾角原理图情况下由地磁传感器提供的方位角精度为±0．3。。加速Fig1Diagramoftiltmeasurementprincipleof度传感测量的是有效重力场变化，因此，它不受电磁场的影accelerometersensor收稿日期：2009--09-30基金

7、项目：山西省青年科技研究基金资助项目(2008021027)第6期沙承贤，等：基于MEMS加速度传感器的数字倾角仪设计1352硬件设计经过标定计算所得，K=0．19341310V／g；Dr=数字倾角仪硬件包括1221-05加速度传感器，调理电2．366073820V。路，分压电路，C8051F021，LCD显示及USB数据通信部分3．2温度补偿组成。1221-05加速度传感器的零点随温度的变化而变化。数字倾角仪采用的1221-05传感器探头是SILICON一般通过温度循环试验来标定出温度偏移系数进行温DESIGNS生产的单轴MEMS电容式加

8、速度传感器，+5V供度补偿。电，量程为±5g。1221-05的输出端AOP，AON分别输出本文采用高精度数据采集电路采集传感器在-40，-一组大小相加为5V的电压，经过由差分运算