基于MEMS传感器的高精度调垂用倾角仪设计.pdf

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1、基于MEMS传感器的高精度调垂用倾角仪设计陈峰军’王佳玮徐技黄海周泉吉沈1．上海建工集团股份有限公司上海200080；2．上海西派埃自动化仪表工程有限责任公司上海201612摘耍：针对逆作法施工中的倾角测量问题，设计了一款基于MEMS双轴倾角传感器的高精度、高稳定度的倾角测量系统。系统的控制器型号为C8051F350，软件采用完善的温度补偿算法，测量精度达到1／1000。同时，该系统具备无线通信功能。能够使用便携式触摸屏、电脑和智能手机作为人机界面，在逆作法施工中取得了良好的效果。关键词：倾角传感器；高精度；温度补偿；无线通信中图分类号：TU19文献标志码：BDO

2、I：10．141444．cnki．jzsg．2016．04．043DesignofHighPrecisionInclinometerUsedforAdjustingVerticalityBasedonMEMSSensorCHENFengjun’WANGJiaweiXUTaoHUANGHalZHOUQuanji’SHENWen’1．ShanghaiConstructionGroupCo．，Ltd．Shanghai200080；2．ShanghaiSIPAIAutomaticInstrumentEngineeringCo．．Ltd．Shanghai2016121MEM

3、S倾角传感器绝缘体固定极板MEMS(MicroElectroMechanicalSystem)即微电子机质量块械系统，是集微传感器、微执行器、微型机以及信号处理簧片和控制电路、接口、通信等单元于一体的可以感知外界信息(力、光、磁、化、热等)的微型器件或微型系统[1】。壳体基于微电子机械系统的高精度双轴倾角传感器，具有固定极板低温漂、高分辨率、低噪声的优点，它可同时测量相对于图1加速度传感器结构水平面的倾斜和俯仰角度，测量范围为-30~～+30o。其内部包含硅电容感应元件、EEPROM存储器、信号调理电当传感器静止并且其灵敏轴与水平面倾角为时，传路、A／D转换器、温

4、度传感器和SPI传输接口等。由于其内感器测出的加速度值为重力的分量a_g·sina。通过反正弦部的过阻尼设计，对振动不敏感，最高可承受20o0眙冲公式可得出倾斜角度：=arcsin(aJg)。击，非常适合用于高精度倾角测量系统。倾角传感器输出为电压模拟量，在软件中需要使用式MEMS倾角传感器内部的感应元件为硅微电容式固态(1)把模拟量转换为角度：加速度传感器。传感器内部有1个对加速度敏感的质量块，arcsi．nf＼I-‰b=—en。_sOlt_lfvf-lsteyt／＼J(1)这个质量块通过具有弹性的悬臂簧片固定在敏感器壳体上，质量块的上方和下方分别设置1个电极板

5、，它们与质量式中：OffSet——倾角传感器在0o倾斜位置的输出电压块相隔很窄的、相等的间隙，这2个极板分别与质量块形成值，2．5v；1个相等的电容，当壳体在沿着这个质量块的上下方向产生Sensitivity_—角传感器的灵敏度，4V；加速度时，惯性力使质量块产生位移，改变了间隙，因而——倾角传感器的模拟量输出。电容量发生变化。这2个电容量的差值与加速度成正比，这由于arcsin函数曲线的非线性特性，当倾角值接近0o就构成了电容式加速度传感器口】。其结构如图1所示。时，arcsin函数曲线逼近直线，此时输出对倾斜度变化的灵敏度也最高。当倾角值接近90~时，arcs

6、in函数会出现明显的非线性特征，此时输出对倾斜度变化的灵敏度最低M】。MEMS倾角传感器测量范围为-30。～+30。，在此范围中测量精度可以达到1／1000。2倾角仪硬件设计倾角仪主要由单片微控制器、倾角传感器、激光驱动回建筑施工·第38卷·第4期陈峰军王佳玮徐技黄海周泉吉沈雯：基'T"MEMS'~感器的高精度调垂用倾角仪设计电路、无线通信模块和人机界面组成，如图2所示。值同时在界面右面的数字框中显示。图2倾角仪组成图4人机操作界面单片微控制器型号为C8051F350，其工作频率达到4温度补偿算法24．5MHz，存储器包括8KBFlash存储器和768BRAM，外

7、温度补偿对于提高倾角仪精度和稳定度起关键性的作部设备包括1个24位或16位ADC、4个16位通用定时器，以用。倾角传感器具有一个内部温度传感器，温度传感器通及SPI、UART、SMBus／I2C等接口【。过SPI接口访问。读取温度为一个8位的二进制数(为十进倾角传感器输出的模拟量经过信号调理电路处理后连制的0～255)，传递函数表示由式(2)所示。接到C8051F350的16位ADC输入端口，C805IF350对模拟：二Z量进行采样，采样值经过软件换算后得到倾角值。倾角传一1．083(2)感器的测量范围为-30~、～+30。，经过16位ADC采样后分辨式中：Cou

8、nts——