張從鵬， 宋來軍

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

0 引 言

目前傾角傳感器被廣泛的應(yīng)用于物體的姿態(tài)測量中，比如工程機(jī)械設(shè)備調(diào)平、遠(yuǎn)距離測距儀器、雷達(dá)車輛平臺檢測、塔式起重機(jī)、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域。因此，對于傾角傳感器的測量精度與環(huán)境適應(yīng)性提出了很高要求。由于傾角傳感器長期工作在露天等環(huán)境惡劣的場合，工作環(huán)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(dǎo)體元件參數(shù)隨溫度變化而產(chǎn)生的溫度漂移，將導(dǎo)致傾角傳感器本身存在測量偏差，影響傾角測量的準(zhǔn)確度[1]。本文開發(fā)的高精度傾角傳感器采用外置16位高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital conversion,ADC)芯片提高測量分辨能力，并基于一種溫度補(bǔ)償?shù)乃惴▉硐郎囟茸兓鸬臏y量偏差，提高傳感器的測量精度。

1 傳感器系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

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(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

選用STM32F103作為系統(tǒng)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(dá)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(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，分辨率高達(dá)0.002 5°，測量范圍-90°～90°[2]。當(dāng)傳感器的姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，在X方向和Y方向產(chǎn)生α和β的角度，相應(yīng)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(guān)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(tài)時(shí)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(guān)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(zhǔn)、低功耗等特點(diǎn)[3]。SCA100T—D02輸出的模擬量范圍0.5～4.5 V，AD7705的量程為5 V，進(jìn)而可計(jì)算出AD7705的分辨率為0.000 076 3 V，利用式(1)可計(jì)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(shù)據(jù)通信電路設(shè)計(jì)

由于RS—485具有接口簡單、抗干擾強(qiáng)、可多機(jī)并聯(lián)以及傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，傳感器采用RS—485通信協(xié)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(shè)計(jì)

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(yōu)點(diǎn)。原理圖如圖4(b)所示。

圖4 數(shù)據(jù)通信與溫度采集電路

1.4 溫度補(bǔ)償算法

傳感器的測量結(jié)果θ主要由2個(gè)參數(shù)決定，一個(gè)是傳感器在溫度補(bǔ)償前的電壓輸出U，另一個(gè)是溫度T。傳感器的最終測量結(jié)果θ可以表示為(2)式的函數(shù)關(guān)系

θ=g(U,T)

(2)

二維坐標(biāo)(Ui,Tj)所確定的θk在一個(gè)平面上，故設(shè)U，T，θ的關(guān)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(shù)。若要確定ai(i=0,1,2,3,4,5)，則需要二維標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，在溫度傳感器和傾角傳感器的測量范圍內(nèi)取若干個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)中取Tj為-40～100 ℃，每隔10 ℃取一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)；θk為-90°～90°，每隔10°取一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，共計(jì)15×19組標(biāo)定點(diǎn)。根據(jù)最小二乘法原理，需要使標(biāo)定點(diǎn)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(dǎo)數(shù)并另其為0，聯(lián)立方程組即可求解

(5)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于MDK—ARM專業(yè)版uVision V5.0編程環(huán)境，開發(fā)了傳感器應(yīng)用軟件，傳感器上電后先進(jìn)行時(shí)鐘、串口、A/D,SPI、定時(shí)器和IO口的初始化。當(dāng)接收到角度采集指令后，開始進(jìn)行雙軸角度和溫度的采集，經(jīng)過數(shù)字濾波后[6]，進(jìn)行溫度補(bǔ)償和信號處理運(yùn)算，最后通過RS—485通信接口輸出，直至收到停止轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)

傳感器實(shí)物圖如圖6(a)所示，測試實(shí)驗(yàn)圖如圖6(b)所示。

圖6 傳感器實(shí)物與測試實(shí)驗(yàn)框圖

測試方法及過程為：將傾角測量系統(tǒng)固接在精密電控旋轉(zhuǎn)臺上放入溫箱中測試。試驗(yàn)時(shí)調(diào)溫箱溫度從-20 ℃調(diào)節(jié)到20 ℃，每隔10 ℃調(diào)節(jié)一次；電控轉(zhuǎn)臺從-60°旋轉(zhuǎn)至60°，每隔30°旋轉(zhuǎn)一次[7]。具體數(shù)據(jù)分析如表1所示。

表1 傾角傳感器試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

基于STM32開發(fā)了具有溫度補(bǔ)償?shù)母呔榷S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(qiáng)等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傾角傳感器的滿量程誤差達(dá)到0.14 %，測量分辨率達(dá)到0.003°，可以滿足工業(yè)上的使用要求。