MEMS倾角传感器
在建筑机械、路面机械、港口机械、起重机械等工程机械领域中,为了达到机械状态监测和姿态控制的目的,要求倾角传感器能精确测量某平面相对水平面的倾斜角度。倾角传感器用于操作动作频繁、露天等环境恶劣的场合,因此在响应速度、可靠性、体积、稳定性、使用寿命和成本方面要求很高。基于MEMS加速度传感器的倾角传感器采用体积小、功耗低、响应速度快和高可靠的传感元件,已经广泛应用于工程机械领域。然而此类倾角传感器均存在零位偏差,如果不对倾角传感器进行零位偏差补偿,将会影响倾角传感器的精度。微加速度传感器
在微加速度传感器中,通过测量力或位移来得到加速度。而测量力或位移的方法有很多,根据不同的检测方法,可将微加速度传感器分别称为压阻式、电容式、谐振式、伺服式和隧道式加速度微传感器。电容式加速度微传感器具有灵敏度高、直流响应和噪声特性好、温漂低、低温灵敏度好、功耗低等优点,因此采用MEMS传感器作为微加速度传感器。其敏感元件的简化结构如图所示。当传感器感受到加速度作用时,中央极板随弹性梁向固定极板的一端移动,使两极板电容值不相等,并使中央极板电压输出的幅值随传感器所敏感到的加速度变化而变化。
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倾角计算方法
图c是利用双轴的加速度计来进行单个轴的倾斜角度的测量图解。
图c
这时加速度输出和倾斜角的关系为
在此,,所以很容易获得或者的值。
倾斜角的值可以通过反正切方程求得
如图d所示,要降低对加速度传感器灵敏度的要求,需要避免利用正切曲线0°~45°、余切45°~90°的采样值来求解seta角。因此对seta角的求解应尽量用正切曲线45°~90°、余切0°~45°这段曲线来完成。因而避开了利用输出曲线变化率缓慢部分,故可以显著降低对传感器的灵敏度要求。
图d
零位偏差补偿
如图(a)所示,由于难以严格控制两固定极板与中央动极板的间隙尺寸,加速度传感器必然存在0g偏差。零位偏差补偿是在倾角传感器使用之前,对加速度传感器固有的0g偏差进行补偿,MEMS传感器的0g偏差高达±2%,u0是加速度传感器MEMS传感器的敏感轴处于水平方向时输出的脉波占空比,典型值是0.5,实际上u0是加速度变化2g时占空比和的平均值,即(变化2g之前占空比+变化2g之后占空比)/2,利用上述原理,将倾角仪放于垂直平面,利用算法处理器自动获得变化2g之前占空比和变化2g之后占空比,就可以算出每块倾角仪的u0.微处理器最后将u0存储在EEPROM中。
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