龔中良， 劉寒霜

(中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引 言

傾角傳感器常用于傾斜角的測(cè)量被廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域中，如在軍事、建筑、機(jī)械等都有著十分重要的作用，作為一種監(jiān)測(cè)工具，它已成為在航空航海、橋梁架設(shè)、工業(yè)自動(dòng)化、智能平臺(tái)不可缺少的重要測(cè)量工具，對(duì)于高精度激光儀器水平、雷達(dá)車輛平臺(tái)檢測(cè)、衛(wèi)星通信車姿態(tài)檢測(cè)就需要傾角傳感器更高精度的測(cè)量[1]。由于傾角傳感器經(jīng)常工作在環(huán)境惡劣的場(chǎng)合，隨著環(huán)境溫度的變化，電子元器件的溫度系數(shù)其輸出信號(hào)產(chǎn)生溫度漂移，會(huì)帶來較大的測(cè)量誤差，并且影響零點(diǎn)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(bǔ)償法是在微處理器基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器誤差特性進(jìn)行建模[5,6]，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行誤差分離和補(bǔ)償可以完全克服這些缺點(diǎn)，成為了目前溫度漂移補(bǔ)償方法的熱門途徑[7～10]。

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

1 傾角傳感器原理及溫度漂移補(bǔ)償特性

1.1 傾角傳感器測(cè)量原理

該傾角傳感器選用的是微電子機(jī)械系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度計(jì)作為主要測(cè)量元器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該結(jié)構(gòu)由一對(duì)定極板和一動(dòng)極板，動(dòng)極板與橫梁相連，橫梁在兩個(gè)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(jīng)過立體加工形成的一種力學(xué)結(jié)構(gòu)，它在加速度計(jì)中的作用相當(dāng)于彈簧，動(dòng)極板上下兩面有電鍍層，與定極板組成一組差動(dòng)電容，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，繼而計(jì)算出加速度大小，再結(jié)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(jì)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 測(cè)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

傾角傳感器最主要的敏感元件是加速度計(jì)，如圖2，當(dāng)傳感器受溫度作用時(shí)，加速度計(jì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理與濾波發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)同溫度傳感器采集到的溫度信號(hào)輸送到微處理器處理，處理后的信號(hào)通過CANopen協(xié)議發(fā)送到上位機(jī)軟件顯示。

2 傾角傳感器溫度漂移補(bǔ)償建模

上位機(jī)軟件采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換輸出得到角度值y，與自變量溫度T之間的函數(shù)呈現(xiàn)為非線性，為了更好的補(bǔ)償溫度帶給傳感器的誤差，本文采用分段非線性函數(shù)，該函數(shù)表達(dá)式為

(1)

式(1)即為傾角傳感器溫度補(bǔ)償模型，該模型分兩段：低溫階段和高溫階段，由于實(shí)驗(yàn)情況和為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需以常溫處作為節(jié)點(diǎn)。通過算法對(duì)傳感器溫度和角度數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償建模，提高了傳感器測(cè)量精度。補(bǔ)償原理如圖2所示。

圖2 傾角傳感器溫度補(bǔ)償原理

3 傾角傳感器溫度補(bǔ)償方法

本文應(yīng)用最小二乘多項(xiàng)式分段函數(shù)非線性曲線擬合溫度漂移補(bǔ)償方法。以下是補(bǔ)償方法步驟：1)傾角傳感器經(jīng)過實(shí)驗(yàn)在上位機(jī)軟件上將讀取出的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換處理，溫度每隔一攝氏度會(huì)有大量的數(shù)據(jù)，為了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和減少測(cè)量誤差，將同一溫度下的數(shù)據(jù)每50個(gè)數(shù)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(shè)定溫度(常溫下)的平均值做差值，所得到的差值為誤差補(bǔ)償值θ，將初始檢測(cè)得到的處理后的數(shù)據(jù)(實(shí)測(cè)值θ′)與誤差補(bǔ)償值之和即為補(bǔ)償后的傾角值。3)針對(duì)這差值做最小二乘分段擬合曲線進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

4 傾角傳感器溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中采用完全相同的方法對(duì)相同的裝置進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。取3次實(shí)驗(yàn)的平均值進(jìn)行說明。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)

所需要的實(shí)驗(yàn)器具：高精度雙軸傾角傳感器、恒溫恒濕箱、24 V開關(guān)電源、CANalyst—Ⅱ、上位機(jī)。將傾角傳感器固定在分度臺(tái)平面上放入恒溫恒濕箱中，實(shí)驗(yàn)過程中不得移動(dòng)，傳感器其中兩根線連接24 V開關(guān)電源正負(fù)極，另兩根線與CANalyst-Ⅱ連接，測(cè)得的數(shù)據(jù)通過USB與PC連接，在上位機(jī)軟件上讀取并存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。所選用的恒溫恒濕箱溫度范圍在-60～150 ℃，溫度波動(dòng)度±0.5 ℃，溫度偏差±1～1.5 ℃。

低溫實(shí)驗(yàn)：將恒溫恒濕箱設(shè)置溫度為-36 ℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)由于箱體的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生粗大誤差，所以需關(guān)閉恒溫恒濕箱使其自然升溫，同時(shí)打開USB_CAN TOOL上位機(jī)軟件記錄數(shù)據(jù)，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(jù)表1實(shí)測(cè)值和誤差值數(shù)據(jù)繪制高低溫雙軸傾角傳感器輸出傾角誤差補(bǔ)償曲線如圖4所示。X，Y軸標(biāo)定值以20 ℃下采集的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)。圖4可以看出，補(bǔ)償前低溫階段X軸傾角值在0.25°上下浮動(dòng)，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(dòng)，Y軸傾角值在-0.05°～0.25°之間，補(bǔ)償后X，Y軸的傾角值趨向于所標(biāo)定的角度值附近，實(shí)際值與標(biāo)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(bǔ)償結(jié)果

5 結(jié) 論