（电子科学与技术专业论文）智能倾斜角传感器无线节点的研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gs e n s o r ，m i c r o e l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) ，e m b e d d e ds y s t e m , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ， n e t w o r k , d i s t r i b u t e dp r o c e s s i n g ，e c t ，t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) ，an e w i n t e r d i s c i p l i n e ，h a sb e e nf o r m e d i th a sh i g ha p p l i c a t i o nv a l u ei nt h ed o m a i n so fm i l i t a r y ， m e d i c a lt r e a t m e n ta n de n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g a tt h es a n l et i m e ，i nm a n ya p p l i c a t i o n si ti sd e s i r a b l et om a k es u r et h a ts o m e t h i n g i sv e r t i c a lo rh o r i z o n t a lr e l a t i v et oe a r t h sg r a v i t yf i e l d i ti sm o r ea n dm o r ew i d e l y a p p l i e dt oav a r i e t yo ff i e l d s ，s u c ha sm a c h i n e r y ，o p t i c s ，a v i a t i o n ，s p a c e f l i g h t ， n a v i g a t i o n ，a n dt h et e c h n i c a ll e v e la n da c c u r a c ya r ei m p r o v i n gc o n s t a n t l yw i t hs c i e n t i f i c p r o g r e s s t or e a l i z ez h ew i r e l e s sn o d eo fi n t e l l i g e n tt i l t s e n s o r , w eh a v ed o n ew o r k s t h e r e i n a f t e r l ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) b ym e a n so fs i n # e a x i s ，t w o - a x i sa c c e l e r o m e t e rt i l ta n g l em e a s u r i n g p r i n c i p l ei sa n a l y z e d , l e a r n e dt h a ts i n g l e a x i s ，t w o - a x i st i l ts e n s o rc a nn o t g i v e a t t e n t i o nt ob o t hf u l l d e g r e eo fi n c l i n a t i o na n da l li n c l i n a t i o n o r i e n t a t i o n , i nt h i sp a p e r ，b ys t u d y i n ga l l - s o l i d - s t a t em i c r oc a p a c i t i v et i l t s e n s o r s ，a n a l y z i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft i l ta n g l em e a s u r i n gu s i n gt h e m e t h o do fg r a v i t yp e n d u l u m ，d i s c u s s i n gt i l ta n g l em e a s u r i n gp r i n c i p l ew i t h 3 - a x i sa c c e l e r o m e t e r , af u l l d e g r e eo fi n c l i n a t i o na n da l li n c l i n a t i o n o r i e n t a t i o nh i g hp r e c i s i o n3 - a x i st i l ts e n s o ri sd e s i g n e db yu s i n ga3 - a x i s a c c e l e r o m e t e rs c a 3 0 0 0 t h ee x i s t i n gt w o - a x i st i l ts e n s o ro n l yg i v et h ep i t c h ，r o l la n g l ev a l u e s ，d o e s n o tc a l c u l a t et h et o t a lv a l u eo ft i l ta n g l e w eb r i n gf o r w a r dan e wm e t h o d o fc a l c u l a t et h et o t a lv a l u eo ft i l ta n g l e 、析n lt h et h ep i t c h , r o l la n g l ev a l u e s w eb u i l di nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r md e s i g n e dt of u l l yt a k ei n t o a c c o u n tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i r e l e s sn o d e s ( m i n i a t u r i z a t i o n ，l o wc o s t ， 1 1 i g hr e l i a b i l i t y ，h i g hs e c u r i t ya n dh a r s hl o w p o w e r ) w ed i dal o to fw o r k t or e a l i z ei t sh a r s hl o w - p o w e r ，i n c l u d i n gt h eu s eo fu l t r al o w - p o w e r m i c r o p r o c e s s o rm s p 4 3 0 f 1 2 3 ，l o w - p o w e rt h r e e a x i sa c c e l e r a t i o ns e n s o r s c a 3 0 0 0 ，i nt h ep o w e rc i r c u i td e s i g nt oe n s u r et h er e g u l a t ev o l t a g ew i t ha b o o s tr e g u l a t o rs t e p - u pc o n v e r t e rc h i pt p s 612 21 ，t oe n s u r et h eb a t t e r y v o l t a g e w h i l et h eb a a e r yv o l t a g ea sl o wa s0 s v ，t h en o d ec a l ls t i l lw o r k p r o p e r l y ，g r e a t l ye x t e n dt h ew o r k i n gh o u r so f t h en o d e i nt h ed e s i g no fs o f t w a r e ，w et a k ef u l la d v a n t a g eo fl o wp o w e rm o d e so f t h em i c r o p r o c e s s o rm s p 4 3 0 f 1 2 3a n dt h e s t a n d b ym o d eo f w i r e l e s s 第i i i 页 国防科学技术火学研究生院硕十学位论文 c o m m u n i c a t i o nc h i pn r f 9 0 5 ，t od e s i g nt h r e ek i n d so fl o w - p o w e rw i r e l e s s n o d e so p e r a t i n gm o d e ，a c c o r d i n gt ot h ed a t ar a t en e e d so ft h em a s t e r ，a r e a s o n a b l ec h o i c eo fn o d e so p e r a t i n gm o d ew i l lm a k en o d et ol u l la tt h e l o w e s tp o w e rc o n s u m p t i o n ( 5 ) i nt h ec a l c u l a t i o no ft i l ta n g l e si no r d e rt or e d u c et h ec a l c u l a t i o na m o u n to f t h es i n ef u n c t i o no ft h el i n e a rt r e a t m e n t ，b u ti no r d e rt oi m p r o v ea c c u r a c y ， w en e e dt ot a k et h el i n e a re r r o rc o m p e n s a t i o no ft h ec a l c u l a t e da n g l ed a t a , w h i l et h r e e a x i sa c c e l e r a t i o ns e n s o rd a t a u s i n g az e r o - p o i n to f f s e t c a l i b r a t i o n 、c r o s s a x i sc o m p e n s a t i o nt oi m p r o v ep r e c i s i o n a f t e rd a t aa n a l y s i s ，s y s t e mi m p l e m e n t a t i o ns h o w st h a tah i g hr e l i a b i l i t y ，h i g h s e c u r i t y ，h i g hp r e c i s i o nf u l ld e g r e eo fi n c l i n a t i o na n da 1 1i n c l i n a t i o no r i e n t a t i o nt i l t s e n s o ri sr e a l i z e d ，t h ed a t ae r r o ro f t i l ta n g l ew a sw i t h i n0 5 0 k e yw o r d s ：t i l ts e n s o r ，w i r e l e s sn o d e ，c a l i b r a t i o n 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 表目录 表3 1m s p 4 3 0 f 1 2 3 各种工作模式下电流消耗表一1 7 表3 2 无线通信芯片性能比较表格。2 3 表3 3 无线通信芯片模式选择2 3 表3 - 4e n 管脚状态定义2 5 表4 1n r f 9 0 5 配置内容描叙3 3 表4 2 时钟控制寄存器描叙表3 6 表4 3 被使用的t i m e ra 寄存器描叙表3 7 表4 4 运用到的u a r t o 相关寄存器描叙表一3 9 表4 5s c a 3 0 0 0 e 1 ，m s p 4 3 0 f 1 2 3 ，n r f 9 0 5 的功耗表4 0 第l v 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图目录 图2 1 固体摆原理图5 图2 2 液体摆原理图5 图2 3 气体摆原理图5 图2 4 差动结构电容式加速度传感器a d x l 0 5 结构图8 图2 5 倾斜原理图9 图2 6 测量原理图9 图2 7 二轴加速度传感器9 图2 8 三轴加速度传感器倾斜原理图1 0 图3 1 网络化智能无线倾斜角传感器测量系统框图14 图3 2 无线节点的硬件结构框图1 4 图3 3m s p 4 3 0 f12 3 功能模块图1 6 图3 4m s p 4 3 0 f 1 2 3 硬件电路图1 8 图3 5 经典s p i 连接电路1 9 图3 - 6s c a 31 0 0 s p i 帧格式和传输协议1 9 图3 7 无线节点电路连接图2 0 图3 8s c a 3 0 0 0 一e 0 1 功能模块图2 1 图3 - 9s c a 3 0 0 0 e 0 1 电路图2 2 图3 1 0i 心9 0 5 电路图2 4 图3 11 升压稳压模块电源电路图2 5 图3 12l e d 连接电路图2 6 图4 1 倾斜角度计算流程3 2 图4 2n r f 9 0 5 发送时序图3 4 图4 3n r f 9 0 5 接收时序图3 5 图4 - 4 无线节点工作流程图4 2 图5 。1 误差仿真图( 0 p s 刀4 ) 4 4 图5 2 误差仿真图( 7 l 4 口7 2 ) 4 4 图5 3 零刻度偏移量测量姿势图4 6 图5 4 横轴传感测量姿势图4 7 图5 5 误差补偿流程图4 8 图5 - 6 未校正三轴数据与倾斜角度输出图4 9 图5 7 已校正三轴数据与倾斜角度输出图1 5 0 图5 8 已校正三轴数据与倾斜角度输出图2 5 0 第v 页 国防科学技术火学研究生院硕十学位论文 图5 - 9 数据漏接收情况图一5 l 图5 1 0 数据完全接收情况图5 1 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：堡蜘鲢峰熊醢鲜一碰啦韭渺 学位论文作者签名：叠题 日期： 卅年 f 月j 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 【保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：盈丝幽垒堡垄鐾垒送率童! 鹤塑荔占壤：渺 学位论文作者签名：越日期：川，年 1 1月j日 作者指导教师签名：亟堕 一日期：2 归 年1 1 月了 日 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 传感器在现代工业已发挥了重要的作用，并且在未来将体现出更加重要的地 位。国际电工委员会( i e c ：i n t e m e t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i t t e e ) 对传感器的定 义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的 信号。打可以说，传感器相对于工业系统的作用，就如同眼睛，耳朵，鼻子，舌 头和皮肤相对于人的作用。倾角传感器是一种通过把传感器相对于基准面的倾斜 角转换为与之对应的电信号输出，从而求出对应的倾角值的装置。 在很多运用场合，我们都必须弄清楚，我们的装备相对于重力场是水平的还 是垂直的，与水平面呈多大角度。在许多国家有这样的规定，升降机和起重机上 都必须要有倾斜监控。倾斜监控在人类交通工具上尤为重要，例如离轨列车需要 倾斜信息来避免事故发生，自倾斜火车需要倾斜角来补偿离心力【l 】。有时我们需要 用倾斜计来保持平台的水平或者一定角度，因此，倾斜角传感器的研究极为重要。 在某些高准确度的测量系统中，要求对系统进行快速调平或对某些装置与水 平面的倾斜角进行快速高准确度测量。以往国内外系统的调平采用气泡水平仪， 通过人眼目测调平，既费时准确度又不高，而且受环境因素和人工因素的影响较 大，因此研究一种反应速度快，精确性高的智能倾斜角传感器是势在必行。 同时随着通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和传感器技术的 飞速发展和日益成熟，以及计算机运算速度的突飞猛进，数据处理和计算能力的 迅速提高，融合了2 l 世纪信息产业三大支柱( 传感器技术、信息处理技术和网络通 信技术) 的无线传感器网络( w s n w i r e l e ss e n s o rn e 铆o r k ) 应运而生【2 j 。 在麻省理工学院的技术评论杂志( t e c h n o l o g yr e v i e w ) 评出的对人类未来 生活产生深远影响的十大新兴技术中，无线传感器网络位居榜首。无线传感器网 络能够通过各类集成化的微型传感器协作实时监测、感知和采集各种环境或监测 对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络 以多跳中继的方式将所感知的信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的 计算( u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 理念。无线传感器网络不仅能满足人们从信息的传递 及检索到信息获取的新需求，而且将在很大程度上满足未来无线通信的需求【。 智能传感器是1 9 7 8 年由美国宇航局在宇航工业发展中开发出来的产品。宇宙 飞船中有大量传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等数据。由于一台 大型计算机很难同时处理这么多的数据，于是提出把c p u 分散化的解决方案，这 样就产生出智能化传感器例。 第1 页 国防科学技术火学研究生院硕士学位论文 综上所述，倾斜角传感器的研究极为重要，无线传感器网络具有广泛的应用 前景，智能传感器是传感器发展的趋势。本文基于无线传感器网络，研究其中一 个无线智能倾斜角传感器节点，具有重要的理论意义和实际意义。 1 2 倾斜角传感器研究现状 随着微机械加工技术以及电子技术的发展，传感器的集成化、智能化、微型 化、网络化已成为发展的必然趋势，倾斜角传感器自然也在其列。 目前的大多数倾斜角传感器都是利用重力加速度来工作的，即所谓的“摆 的工作原理，根据“摆在重力场内力图保持其铅垂方向的特性来设计的。根据 摆的不同又可将其分为固体摆、液体摆和气体摆三大类。核心技术都是利用新型 s m r 敏感元件，将倾斜角度的变化转换成电信号输出。 对于固体摆的研究比较成熟，且应用广泛，但其易受外界干扰，如机械振动。 代表型号有y z c l 型应变式倾斜角传感器和l c i 3 6 0 系列双轴力平衡式伺服器倾 角仪。 对于液体摆式倾角传感器的研究开展则较晚，5 0 年代末期美国宇航局首先把 它应用于惯性导航系统中初始参考水平面的建立，随后被应用于地震预报等领域。 现主要有膜电位倾角传感器、测斜液体摆组合、a c c u s t a r 一型及二型倾角传感 器等。液体摆倾角传感器系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外 产品多为此类。但是液体摆式倾角传感器存在动态范围窄，动态响应频率低等缺 点。 气体摆式倾斜角传感器是针对现有摆式倾斜角传感器的不足提出来的。气体 摆的敏感质量是气体。气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲 击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体 运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的要 求。气体摆倾斜角传感器常适用于要求能承受大冲击和振动的测试领域。国内有 采用“气体摆”原理做成的单轴向c j r s a 型倾角传感器和c j r s b 型二维气体摆 式倾角传感器。 另外，有采用单摆原理，用磁阻叫r ) 测量的w t x 倾角传感器，康宇公司研 制的双轴斜度传感器利用可变电容原理，电容器的容值随着气泡的不同位置而变 化，从而测量出倾角的大小。 目前生产倾角传感器的厂商较少，但就产品而言，单轴倾角传感器居多，且 分辨率较高。就国内产品而言，传感器与电路集成较少，且大多只提供模拟量输 出。就传感器发展状况而言，从收集资料看，北京信息工程学院的产品在小型化 及产品精度等指标方面较领先，如膜电位倾角传感器。就网络查询反馈看，产品 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 主要集中在欧美几家大公司，如英国的c l i n o 公司、德国的西门子公司、美国的 c r o s s b o wt e c h n o l o g y 公司、a t m o s 工程公司、f r e d e r i c k s 公司以及美国数字公司。 就国外产品种类而言，其数量较少，但从数字化、小型化、精度、重量、使用温 度范围及线性度等指标而言，具有较高的实用价值1 4 1 。 近年来微传感器的研究成为传感器研究的热点，微机械技术加速度传感器在 可靠性、稳定性、可重复性，紧密精简上比液态电解质和气体传感器更具有优势。 基于微机械加速度传感器的倾斜角传感器应运而生。文献【5 】中提出了一种基于两轴 加速度传感器a d x l 2 1 3 的倾角测量装置，实现了全摆幅高精度测量，并能在运动 车辆中抵消前进方向加速度，实现运动中单方向高精度测量。文献嘲中同样运用两 轴压力传感器实现单方向全摆幅倾角测量。文献【| 7 】中运用两轴加速度传感器 a d x l 2 0 2 实现了全方位，4 5 度摆幅内低误差倾斜角测量。 1 3 无线传感器网络研究现状 无线传感器网络是当今国内外研究的一大热点，很多大学和研究所都开展了 相关的研究，它在军事和民用领域都具有广阔的应用前景。在军事领域，通过无 线传感器网络，隐蔽地分布在战场上的传感器可将获取的信息回给指挥部；在民 用领域，无线传感器网络可在环境监测、医疗保健、空间探索、灾害预测和其他 商业用途上得到广泛应用埔j 。 从无线传感器网络当前的研究成果来看，世界范围内关于其的研究尚处于起 步阶段，尽管有少数投入使用的商业产品，但是距离实际需求还相差甚远。国内 方面，关于无线传感器网络的研究才刚刚开始，主要是由一些高等院校和研究机 构牵头来研究的，目前浙江大学成立了一个无线传感器网络试验小组专门从事无 线传感器网络硬件实现方面的研究；电子科技大学、东南大学、西北工业大学最 近也在从事无线传感器网络路由协议等方面的研究：另外还有一些研究所诸如中 科院计算所、中科院自动化研究所等也开始从事无线传感器网络技术的研究，北 京邮电大学也参与了无线传感器网络的研究。尽管国内的已经开始这方面的研究， 但由于起步较晚，目前基本上还处于起步阶段，尚无重大成果出现。 国外在这方面的研究开始的比较早，美国很早就开始了无线传感器网络在军 事领域的研究。除了英特尔( i n t e l ) ，c r o s s b o w ，f r e s c a l e ，e m b e r 等公司参与外，另 外还有一些大学和研究机构如麻省理工大学、加州大学伯克利分校、加州大学洛 杉矶分校、哈佛大学、康奈尔大学等的批博士生和教授也在从事无线传感器网 络关键技术的研究。欧洲的一些公司p h i l i p s ，s i e m e n s ，e r i c s s o n ，c h i p c o n 等都开 始了对无线传感器网络的研究。日本的总务省在2 0 0 4 年3 月成立了“泛在无线传 感器网络调查研究会，主要对无线传感器网络研究开发、标准化、社会的认知 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 性、推进政策等进行探讨。n e c 、o k 等公司也推出了相关产品并进行了一些应 用试验【3 1 。 1 4 本文的研究内容 本文研究的内容是设计一个能够在无线传感器网络中实现数据交换的无线倾 斜角传感器节点。 第一章主要介绍本文研究课题的背景和意义，国内外研究现状和本文研究的 内容。 第二章主要介绍摆式倾斜角传感器，电容式加速度传感器的工作原理，以及 运用一轴、二轴加速度传感器的测量结果计算倾斜角的方法，提出运用三轴加速 度传感器测量计算倾斜角的方法。 第三章在介绍完整个倾斜角测量系统结构后，将无线节点硬件分为四个模块， 根据无线节点微型化、低成本、高可靠性、高安全性和苛刻的低功耗的特点，合 理选择芯片，科学的布局布线，搭建硬件平台。 第四章基于硬件平台，进行软件设计，实现数据采集和数据无线传输，并结 合实际应用，设计了三种工作低功耗模式。 第五章主要讨论了数据误差，对数据线性化误差、零点偏移误差、横轴传感 误差进行补偿，同时对系统实现后数据进行了分析。 第六章总结全文，展望未来研究工作。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第二章倾斜角传感器概述 2 1 摆式倾斜角传感器 根据倾斜角传感器的工作原理，虽有倾斜角传感器分为惯性原理的陀螺型倾 斜角传感器和基于磁阻原理的倾斜角传感器，但倾斜角传感器的主流产品都是基 于摆原理的摆式倾斜角传感器。 以自由陀螺保持自身对称轴在惯性参考系中的方位不变作基准而设计的位置 陀螺仪，在用于倾斜角测量时也称为倾角传感器，以自由陀螺保持自身对称轴在 惯性参考系中的方位不变作基准的位置陀螺仪原理上适用于动态测量倾斜角，寿 命短，在大加速度冲击下易损坏、成本高、使用环境受限制。 摆式传感器的基本原理是利用重力场的作用，将倾角信号转换为电信号，而 根据实际，又可以将其分为固体摆，液体摆和气体摆。 1 3 图2 - 1 固体摆原理图图2 - 2 液体摆原理图图2 - 3 气体摆原理图 图2 1 为固体摆原理图，其由摆锤、摆线、支架组成，对摆锤做受力分析，摆 锤受重力g 和拉力t 作用，合力f 为： f 窖g s i n 02 一l 其中，秒为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时，可以认为f 与护 成线性关系。 图2 2 为液体摆原理图，如图所示，容器中存放电解液，三根电极放入电解液 中，距离相等、深度相同。当传感器处于水平时，电极t 1 、舷问的电阻等于t 2 、 t 3 间的电阻，当传感器倾斜时，电阻就不会相同了，通过测量电极t l 、t 2 间的 电阻与t 2 、t 3 间的电阻就能计算出倾斜角度。 图2 3 为气体摆原理图，如图所示，气体腔中为气体，通过热源加热后，热气 体上升，图中箭头方向为气体对流方向，虚线方向为原有法线方向，秒为传感器倾 斜角度，腔体内壁有多个温度传感器或相当于温度传感器的热敏电阻。传感器倾 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 斜时，热气体的位置会变化，导致各传感器测量结果变化，所以通过测量腔体内 壁气体温度变化可以测量出气体摆倾斜角传感器的倾斜角度。气体摆倾斜角传感 器的研究现在是一大热点，文献【1 8 】【1 9 1 1 2 0 l 皆为在密封腔体内设置多个热敏传感元件， 通过测量温度的变化测量倾斜角度值。 就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾斜角传感器而言，它们各有所 长。在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液， 而气体摆的敏感质量是气体。固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其原理基 本上与加速度传感器相同。在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、 精度及抗过载能力较高，在武器系统中应用也较为广泛。液体摆倾斜角传感器介 于两者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外产品多为 此类 4 1 。 在现在的研究中，很多研究者都提出了一系列其它形式的倾斜角传感器，但 观其根本，还是摆式倾斜角传感器，都利用了重力场的作用。如文献【9 】中运用重力 场原理，让液体在容器倾斜时组成一个光的棱镜，让通过它的激光发生折射，通 过折射后光的偏移距离测量倾斜角度。文献f 1 0 】【1 7 】中提出一种光纤光栅倾斜角传感 器，同样是基于重力场原理，由于摆的重力在传感器倾斜时，两侧的光纤分别被 拉伸和压缩，通过测量光纤中反射过来的光的波长变化来测量倾斜角度。 利用加速度传感器测量倾斜角度的原理依然用的是重力摆原理，传感器的集 成化、智能化、微型化、网络化已成为时代潮流。运用微加速度传感器和微处理 器芯片组成微型化智能传感器已是研究热点。在芯片级的研究上国内远远落后国 外水平，现在市面上的微加速度传感器芯片基本都是国外产品。就单轴加速度传 感器而言，最成功的是是美国a d 公司的a d x l 0 5 和a d x l s 0 系列单片集成差动 电容式加速度传感器；其它如美国e g & g i c 传感器公司的3 2 5 5 、3 0 0 0 系列压阻式 加速度传感器。对于双轴加速度传感器，产品有美国a d 公司研制的a d x l 2 xx 系列双轴加速度传感器，美新半导体公司( m e m s i c ) 的热对流式双轴加速度传感 器。对于三轴加速度传感器，产品有日立金属公司2 0 0 5 年发布的三轴微加速度传 感器，美国a d 公司的同类产品中功耗最低的微型三轴加速度传感器a d x l 3 3 0 ， 芬兰v t i 公司的s c a 3 系列加速度传感器。这些微加速度传感器要么是微电 容式，要么是压阻式，要么是气摆式。加速度传感器用于测量倾斜角时都是用来 测量重力加速度在各传感方向上的分量，并通过测量结果计算倾斜角度。 2 2电容式加速度传感器 在本文中，我们用到的三轴加速度传感器s c a 3 0 0 0 是电容式微加速度传感器， 所以我们在这里首先介绍下电容式加速度传感器的工作原理。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 电容式传感器广泛用于位移、振动、角度加速度等机械量的精密测量。电容 式传感器的特点：结构简单，体积小，分辨率高；可实现非接触式测量；动态响 应好，电容式传感器的固有频率很高，因此动态响应时间短，且介质损耗小，可 使用较高的工作频率，可用于测量高速变化的参量；温度稳定性好，本身发热极 小；能在高温辐射和强振动恶劣条件下工作；电容量小，功率小，输出阻抗高， 因此，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象【2 3 1 。 根据电容量的计算公式c = 气0 彳肛，可将电容式传感器分为三类：变极距型 电容式传感器，变面积型电容式传感器，交介质型电容式传感器。s c a 3 0 0 0 为变 极距型加速度传感器。 我们先来讨论变极距型电容式传感器的非线性，成为初始极距，m 为极距变 化值，c o 为初始电容，a c 为电容变化值，当d 或时： 等= 等+ 学，+ 学) 2 + ( a d ) 3 + ， 2 2 明显c 与d 成非线性关系，略去高次项近似得到： c 鲋 c o磊 2 3 电容式传感器的灵敏度为： k = 警= 百1 撕 而传感器的相对非线性误差为： 掣) ： 牡蔷枷慨爿争姗 2 5 磊 非线性误差和灵敏度对d o 的要求矛盾。所以通常采用差动结构，上下两层板 固定，中间板为可动的，对于加速度传感器，中间板即为加速度传感器质量块， 此时有： q ；c o 匈 2 6 1 _ 百 印g 在 2 7 按泰勒级数展开得 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 c l 吲- + ( 学) 2 + ( 等) 3 + 】 2 8 c 2 = c ：d 1 _ ( 学) 2 ( 等) 3 + 】 c = c 2 一c i 嗡【学+ 等) 3 + 】 筹= 2 争+ c 等n 争+ ， c ，、a d oz k ：盟：一2 万：害川叫扣毗 2 9 2 1 0 2 1 1 2 1 2 2 1 3 2 1 4 图2 - 4 差动结构电容式加速度传感器a d x l 0 5 结构图 图2 - 4 为差动结构电容式加速度传感器a d x l 0 5 结构图，图中虚线框内为差 动电容，黑色方块为固定点。如图所示，当存在向左方向加速度时，横梁( 质量 块) 向右移，导致电容c 1 、c 2 变化。在本文中用到的微加速度传感器s c a 3 0 0 0 的前端传感模块同样采用差动电容式结构。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 2 3 运用加速度传感器计算倾斜角度的方法 加速度传感器用来测量物体的加速度，囟然能够测量重力加速度，基于固体 摆原理，利用加速度传感器测量出重力加速度在传感方向的分量，就可以计算出 倾斜角度。本小节就一轴、两轴加速度传感器测量倾斜角的方法进行了分析，同 时提出了三轴加速度传感器测量倾斜角的方法。 2 3 1 运用一轴加速度传感器测量倾斜角的原理 对于倾斜角传感器的原理，如图2 5 和2 - 6 所示，当传感器倾斜时，传感器的 输出结果就会改变，利用加速度传感器的输出就能计算倾斜角。 对于一轴加速度传感器，测量倾斜角有两种方法，第一种：如图2 5 所示，当 它的传感方向和重力加速度方向一致时，假如此时为零倾斜角度，我们设加速度 传感器测量结果为，( 毋，秒为倾斜角度，g 为重力加速度。 f ( 口) = g c o s o 2 - 1 5 对f ( 口) 求导得： d f 一 一d o2 一g s i n 6 ， 2 1 6 当0 0 时， l i md f = 一g l 口i m 1 1 r n l l m 。s i 1 1 0 - 0 d o 口= 0 = 一2 = u 。口_ 0 2 1 7 图2 - 5 倾斜原理图图2 - 6 测量原理图图2 7 二轴加速度传感器 所以当倾斜角p 太小时，测量的分辨率就会太小，当角度足够大时精度才会上 升。所以对一轴倾斜角传感器的运用一般采取第二种方法：把它的传感方向与重 力加速度方向垂直时的状态设为零倾斜角度，文献【l i l 运用此方法测量倾斜角，如 图2 - 6 所示，此时： f ( d = g s i n o 2 1 8 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 当口一o 时， 蝴l i m 棚d f = - g 烛c o s 矽= 一g2 1 9 此时倾斜角度小时测量精度高，而对于一轴加速度传感器而言，只能测一个 方向的倾斜角。 因此运用一轴加速度传感器测量倾斜角，有两种方法，一种可以测量各方向 上的倾斜，但是精度差，一种只能测量一个方向上的倾斜角，并实现在低倾斜角 度下的高精度。所以，在测量倾斜角时引入了二轴加速度传感器。 2 3 - 2 运用二轴加速度传感器测量倾斜角的原理 1 全方位倾斜角传感器 二轴加速度传感器的外形结构如图2 7 所示，其拥有两个传感方向x 和y ， 相互垂直。当加速度传感器水平放置时，两个传感方向皆垂直于重力加速度，当 两轴倾斜角倾斜时，加速度传感器测量结果为： ， ) = g s i n e ， 2 - 2 0 f ( 见) = g s i n o y 2 - 2 1 y x x ” ， 三=壹二三0：鼍三芝。鼍j1【foso三ze 或：三三三量 至 2 - 2 2 第l o 页 i = ic o s 秒 x 三笺篇0 骝s i n g , 嗣i f x 2 2 3 甜= g s i n o ： 2 - 2 4 1 ，= g s i n o ；, c o s o ； 2 - 2 5 厂= g c o s o ，c o s e ， 2 - 2 6 s i n p y = s i n 口 yc o s e ! ： 2 - 2 8 c o s 秒= c o s 谚c o s 嘭= 扛两二两= 扛两面2 。2 9 s i n 8 = , l - c o s 2o = 乒磊虿忑百= 扛万焉万 2 。3 0 t a n 9 ：篇 2 3 3 ，( 色) a ( f _ ( a y r ) f ( o a ) = 1 dt a 矿no 穹熹1 1 c o s0 2 - 3 4 _，、一=一=，-_一， d 8d 9 z 第1i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 f 2 ( 臼。) 4 - f 2 ( 或) = 9 2 2 。3 5 根据公式2 3 3 计算出来的汐为单方向上的倾斜角度，并且通过公式2 3 4 可以 知道其在全摆幅上都有高精度。运用这种方法测量倾斜角就必须保证x 传感方向、 y 传感方向和重力加速度方向在同一平面内，如果倾斜脱离了轨迹将导致公式2 3 5 不成立，测量结果出错。 运用两轴加速度传感器无法解决倾斜角测量中全方位和全摆幅不能共同实现 的矛盾。所以为测量一个全方位，全摆幅的倾斜角就必须使用三轴加速度传感器。 2 3 3 运用三轴加速度传感器测量倾斜角的原理 1 向量法测量倾斜角 当三轴倾斜角传感器处于初始状态时，三轴加速度传感器的向量输出为i x 、y 、 z 】，设此时为零倾斜状态，当传感器倾斜时，同样得到三维向量 u ，v ，r 】，两向量 间的夹角即为传感器的倾斜角曰。 【就y 、z 】队v 、r - - i x , y 、z 1 i n 、y 、r c o s o 2 - 3 6 xll4-、n)+zrx u + y v 4 - z r c o s = = = = = = = = = = = = = = 兰= 一：= = = = = = = = = = = = ：，一 x 2 + ) ，2 + z 2 列2 + ，2 + ，2 9 2 2 - 3 7 这种方法简单，但是有明显的缺点。首先我们不能保证向量i x 、y 、z 】( 或 u ， v ，r 】) 中三个数据都就有高分辨率，这样就容易导致计算结果的精度得不到保证。 其次，由于误差、外力等因素影响导致x 2 + y 2 + z 2 和材2 + ，2 + 厂2 不等于重力加 速度g 。所以我们来讨论第二种方法。 2 分段函数法测量倾斜角 如上所述，根据公式2 3 2 计算的测量结果是全方位、低摆幅范围内高精度倾 斜角度值；根据公式2 1 7 计算的测量结果是全方位、高摆幅范围内高精度倾斜角 度值，我们综合两者实现全方位、全摆幅、高精度倾斜角度测量。测量倾斜角时 把测量范围分为两档，一档为倾斜角为万4 。3 n 4 ，二档为倾斜角为 ( 0 z 4 ) & ( 3 n 4 石) 。当倾斜角度在万4 3 n 4 之间时，i ， ) l 4 5 2 9 ，我们以f ( 皖) 的值作为划分档次的依据。在z 1 4 3 厅4 这一档 中f ( 馥) 的分辨率都很高，此时运用一个一轴加速度传感器测量全方位、高摆幅段 倾斜角，运用2 1 7 式可以计算高精度倾斜角。在( o z 1 4 ) & ( 3 z 4 万) 这一档中 ，( 只) 、f ( 色) 的分辨率都很高，此时运用一个二轴加速度传感器测量全方位，低 摆幅段的倾斜角，运用2 3 2 式可以计算出高精度倾斜角。 运用分段函数法可以测量一个全方位、全摆幅、高精度的倾斜角度值，本文 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 就是运用