具有温度补偿及零位自校准的角速度传感器设计

卢颖 卢耀文 霍利锋

摘 要：设计了一种具有温度补偿和零位自动校准的角速度傳感器。通过MAX1452AAE对单轴陀螺进行温度补偿，由单片机进行A/D转换和上电零位自动校准，并通过内部存储的标定系数转换成测量值，通过RS422接口输出。试验证明，经过校准后的传感器输出精度及零位稳定性均有了明显的提高。

关键词：温度补偿；零位校准；数据采集

引言

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）微机电系统是伴随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术在传感器领域应用很多。根据谐振器陀螺仪的原理，MEMS结构也可以做成角速度传感器进行测试[1]。由于制作工艺等原因，目前MEMS陀螺的精度仍然比较低。但是在许多应用领域对测量精度要求高、工作温度范围宽、可靠性高等要求的满足，故需对角速度传感器应进行校准补偿是提高其精度的一个重要手段[2]。

1 角速度传感器简介

1.1 产品特点

角速度传感器是基于ADI公司的MEMS集成微机械系统的单轴陀螺。ADI公司研制了商用陀螺仪产品ADXRS401，它将敏感单元和检测电路集成在一起，从而减少了噪声信号对输出的影响，同时也使芯片的体积和功耗大幅减小[3]，综合考虑选用了ADXRS401。单轴陀螺测量范围±50°/s，测量精度为≤1%，数字RS422形式输出。

1.2 产品基本工作原理

角速度传感器主要由MEMS单轴陀螺、电源电路、信号调理电路及数据采编模块等组成，主要的工作原理见图1所示。核心器件单轴陀螺是选择AD公司的MEMS角速度传感器型号为ADXRS401。后级接信号调理器MAX1452AAE进行放大调理，达到模拟输出范围为0V～5V，数据采编模块对数据进行A/D转换，编码及发送，采用RS422协议形式送至后端设备。

MAX1452AAE信号调理芯片能够对单轴陀螺模拟信号进行放大及温度补偿。

1.3 产品应用

角加速度传感器，除应用于控制系统中，还大量地应用在测试方面：如导弹尾罩分离时的旋转角度测量；飞机的机动性能测试，交通工具的启动及刹车性能的测试[4]；在精密机械设备中，通过测量齿轮的角加速度来研究齿轮传动装置的传动系统的平稳性。总之，角加速度传感器在多种行业及领域中均有较为广泛的应用前景。[4]

2 角速度传感器的零位校准补偿

2.1 硬件温度补偿

因为温度的不同，会造成陀螺内部结构微小变形和检测电路温漂等因素，产生相应误差。

温漂是指传感器的输出随着温度变化产生的零偏，比例漂移是指刻度值比例偏差，并假设在特定区间内为线性变化[5]。本次设计选用了MAXIM公司的MAX1452AAE信号调理器能够实现对零位温度补偿功能，MAX1452结构包含一个可编程传感器激励、一个16级可编程增益放大器（PGA）、一个768字节（6144位）内部EEPROM、四个16位DAC、一个通用的运算放大器以及一个内嵌的温度传感器。除偏移量和跨度补偿外，MAX1452AAE还利用偏移量的温度系数（TC）和跨度温度系数（FSOTC）提供独特的温度补偿，补偿原理见图2所示。根据试验测量得到温漂曲线，通过1452软件对温度范围内各点进行补偿校准，校准软件人机界面见图3所示，根据一定算法可得出对应的补偿曲线，最终拟合可得到理想的输出曲线，零位输出可得到明显校准。

2.2 角速度传感器零位校准

软件编写程序流程图见图4所示。系统软件由初始化程序、零位修正、数据采集发送及参数设置组成。由于MEMS的加工工艺特点，固有存在的零漂重复性差的问题，在硬件方面无法有效的提供补偿，介于产品是数字输出，可以在软件程序中进行零位修正功能。

在产品静止状态上电后10s期间进行零位修正功能，对连续采集8次的数据进行累加求和，取平均值后与零位数据相比较得出零位漂移值，在发送时将采集到数据减去零位漂移值即可得到校准后数据。在软件中程序中采用了过采样实现了数字平滑滤波功能，有效的较低了输出噪声。

2.3 数据转换

角速度传感器数据输出为串口信号，串口输出RS422协议为：波特率为115200bps，1位起始位，8位数据位，1位停止位，共10位；高字节在前，低字节在后。一帧数据包括7个字节，帧格式见表1所示。

采用单片机内部A/D转换器。转换电路将模拟电路的0V～5V，零位为2.5V，经过A/D对应转换为数字量0～255，经过数据处理得到一个带符号的数据，此数据乘以标定系数得到最终输出物理量，数码转换流程见图5所示。

3 角速度传感器上位机系统实现

根据角速度传感器的精度要求，设计了上位机数据处理软件，便于在产品调试、试验中的数据记录、处理。数据处理软件完成数据的回收、实时显示、线性方程拟合及数据绘图等功能，在调试、试验中能够及时发现产品的问题，制定解决方案。具体界面见图6所示。

4 试验结果及分析

角速度传感器放置在0°/s静止状态下，未进行零位校准的产品与校准后的产品输出情况见表2所示。从输出图像中明显看出未校准的产品X轴的零位输出已经偏移到-3.5°/s，超出了≤1%的精度要求，Y轴与Z轴均在精度范围内，产品的一致性比较差。同样的产品经过零位校准处理后，将X轴的零位偏移校准到精度要求范围内，保持了三轴向的输出一致，校准效果明显。

角速度传感器在经过零位校准及温度补偿后，在三轴转台进行满量程±50°/s的标定，其中一轴向的标定数据见图7所示。

5 结束语

MEMS传感器的各方面特性表明其技术发展在诸多领域得到广泛的应用，是否能够抑制其不稳定性误差，对测量的精度起到至关重要的意义。通过校准补偿前后验证试验的对比，角速度传感器在静态情况下的原始输出值在精度上有所提高，可以看出，应用此方法对误差的补偿取得了较好的结果。从工程实用的角度设计出更方便上位机操作软件，使整个校准试验流程能够更快捷的完成。

参考文献

[1]李明.MEMS惯性传感器在控制系统中的应用研究[J].电子设计工程，2013（21）：76.

[2]田文超.微机电系统（MEMS）原理、设计和分析[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[3]李志信，罗小兵，过曾元.MEMS技术的现状与未来趋势[J].传感器技术，2001，20（9）：20～21

[4]于波.角加速度传感器的研究与应用.北京航空航天大学出版社，1983.

[5]李文成.基于两轴角传感器的机动测控装备自动调平系统[J].现代电子技术，2010（33）：159.

作者简介：卢颖（1983-），女，山西太原人，中北大学在职研究生。研究方向：电子信息技术应用。