硅电容式高精度双轴倾角传感器温度漂移补偿研究

2019-06-25龚中良刘寒霜

传感器与微系统 2019年7期

龚中良，刘寒霜

(中南林业科技大学机电工程学院，湖南长沙 410004)

0 引言

倾角传感器常用于倾斜角的测量被广泛应用在各种领域中，如在军事、建筑、机械等都有着十分重要的作用，作为一种监测工具，它已成为在航空航海、桥梁架设、工业自动化、智能平台不可缺少的重要测量工具，对于高精度激光仪器水平、雷达车辆平台检测、卫星通信车姿态检测就需要倾角传感器更高精度的测量[1]。由于倾角传感器经常工作在环境恶劣的场合，随着环境温度的变化，电子元器件的温度系数其输出信号产生温度漂移，会带来较大的测量误差，并且影响零点和灵敏度值的大小[2]，从而影响传感器的静特性，所以,有必要采取措施以降低或消除温度变化带来的影响[3,4]。软件补偿法是在微处理器基础上，对传感器误差特性进行建模[5,6]，通过实验进行误差分离和补偿可以完全克服这些缺点，成为了目前温度漂移补偿方法的热门途径[7～10]。

针对倾角传感器的温度漂移误差，建立温度这一自变量的补偿模型，通过该模型和最小二乘法计算分析得到补偿后的倾角值并分析与实际应用时的倾角误差值。

1 倾角传感器原理及温度漂移补偿特性

1.1 倾角传感器测量原理

该倾角传感器选用的是微电子机械系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度计作为主要测量元器件，其内部结构如图1所示。

该结构由一对定极板和一动极板，动极板与横梁相连，横梁在两个固定的硅基片沿弹簧方向放置，其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构，它在加速度计中的作用相当于弹簧，动极板上下两面有电镀层，与定极板组成一组差动电容，转换成电压信号输出，继而计算出加速度大小，再结合重力加速度求出最终的倾角。

图1 差分硅电容式加速度计结构框图

1.2 测量系统硬件结构

倾角传感器最主要的敏感元件是加速度计，如图2，当传感器受温度作用时，加速度计监测的数据经过信号调理与滤波发送到A/D转换器进行处理，处理后的数据同温度传感器采集到的温度信号输送到微处理器处理，处理后的信号通过CANopen协议发送到上位机软件显示。

2 倾角传感器温度漂移补偿建模

上位机软件采集到的数据，经过数据进制转换输出得到角度值y，与自变量温度T之间的函数呈现为非线性，为了更好的补偿温度带给传感器的误差，本文采用分段非线性函数，该函数表达式为

(1)

式(1)即为倾角传感器温度补偿模型，该模型分两段：低温阶段和高温阶段，由于实验情况和为了数据的准确性，需以常温处作为节点。通过算法对传感器温度和角度数据进行温度补偿建模，提高了传感器测量精度。补偿原理如图2所示。

图2 倾角传感器温度补偿原理

3 倾角传感器温度补偿方法

本文应用最小二乘多项式分段函数非线性曲线拟合温度漂移补偿方法。以下是补偿方法步骤：1)倾角传感器经过实验在上位机软件上将读取出的数据进行进制转换处理，温度每隔一摄氏度会有大量的数据，为了实验的准确性和减少测量误差，将同一温度下的数据每50个数取一平均值，之后将同一温度下所有的平均值再取平均值。2)将最终得到的平均值与设定温度(常温下)的平均值做差值，所得到的差值为误差补偿值θ，将初始检测得到的处理后的数据(实测值θ′)与误差补偿值之和即为补偿后的倾角值。3)针对这差值做最小二乘分段拟合曲线进行误差补偿。

4 倾角传感器温度补偿实验

实际实验中采用完全相同的方法对相同的装置进行三次实验，以检验实验的重复性。取3次实验的平均值进行说明。实验装置如图3。

图3 实验装置平台

所需要的实验器具：高精度双轴倾角传感器、恒温恒湿箱、24 V开关电源、CANalyst—Ⅱ、上位机。将倾角传感器固定在分度台平面上放入恒温恒湿箱中，实验过程中不得移动，传感器其中两根线连接24 V开关电源正负极，另两根线与CANalyst-Ⅱ连接，测得的数据通过USB与PC连接，在上位机软件上读取并存储实验数据。所选用的恒温恒湿箱温度范围在-60～150 ℃，温度波动度±0.5 ℃，温度偏差±1～1.5 ℃。

低温实验：将恒温恒湿箱设置温度为-36 ℃，实验时由于箱体的振动会产生粗大误差，所以需关闭恒温恒湿箱使其自然升温，同时打开USB_CAN TOOL上位机软件记录数据，直至升温至室温停止记录。

表1 双轴倾角传感器角度差值

根据表1实测值和误差值数据绘制高低温双轴倾角传感器输出倾角误差补偿曲线如图4所示。X，Y轴标定值以20 ℃下采集的数据为基准。图4可以看出，补偿前低温阶段X轴倾角值在0.25°上下浮动，Y轴倾角值在-0.05°～0.35°之间，高温阶段X轴倾角值在0.25°上下浮动，Y轴倾角值在-0.05°～0.25°之间，补偿后X，Y轴的倾角值趋向于所标定的角度值附近，实际值与标定值之差为倾角传感器误差精度：X轴倾角误差范围-0.007°～0.009°，Y轴倾角误差范围-0.009°～0.008°。