基于MEMS加速度传感器的数字水平仪的研究

基于 速度传感器的数字水平仪的研究 于玮 ，封维忠 *，武建军 （南京林业大学 信息科学技术学院 南京 210037） 摘要： 介绍了一种基于热对流式加速度传感器的 二维 高精度 数字水平仪的设计方案。从数学模型入手，推导了倾角测量算法 。 采用硬件抑制、软件滤波的方法，最大限度地降低了外界干扰 ，解决了测量大角度时的零点漂移问题 。 研究结果表明： 本仪器 可以 进行 多 种 高精度的倾角测量 。 关键词： 字 水平仪；微控制器；抗干扰 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： on U of 210037, a of on we of be in of by by At it be 引言 水平仪作为现代工业不可缺少的检测工具，在 土木工程、航空航海、工业控制 等领域 有着广泛应用 1。 传统的 气泡水平仪 误差较大，对于小角度精确测量更是无能为力。 数字 水平仪 以其方便、快捷、精度高等特点在 该 领域受到越来越多的关注。 与此同时，设计响应速度更快、 抗干扰能力更强、精度更高的 数字 水平仪就成为 该领域的发展方向。 本文 介绍了 基于 术的 小型 高 精度 数字水平仪。 1 1 倾角测量原理 美新公司生产的低功耗、双轴加速度传感器 芯片 ，可以 在 X 轴和Y 轴两 个自由度上 测量恒定或者变化的加速度 。 其 内部 加速度 传感器部分 采用热对流技术 2， 结构如图 1 所示 ， 在正方形的硅片中间悬挂了一个热源，并且在周围四个方向（双轴上）等间距的放置四个 热电偶 。当硅片水平放置时， 由于 四周关于热源的温度梯1 度是均匀的 ，所以四个 热电偶 的温度相同 ，输出电压相同 。反之，当硅片倾斜时，四周关于热源的温度梯度不均匀， 因而输出电压不同。 图 1 加速度传感器内部结构 倾角测量 原理 3如图 2 所示 。 线段 B 分别在 X 轴和 Y 轴上，且与水平面的夹角分别为 和 。过 O 点 向水平面 作 垂线 再过 O 点向 平面中的直线 垂线，交点为 C。 由几何关系知， 传感器所在的平面 水平面的夹角就是 设 ， OH=h，则，作者简介 ：于玮（ 1986 ），江苏南通人，硕士研究生 ，主要研究方向为计算机测控技术及仪器 . 通讯作者 ： 封维忠（ 1950 ） ，江苏南京人， 副教授，硕士生导师，主要研究方向为计算机测控技术及仪器 . 因为 根据勾股定理 ，hs s s 222 s s 22 所以， rc 2 即，只要 得到两个轴向倾角值就能求出平面真实倾角。 图 2 倾角测量数学模型 2 仪器 设计 硬件电路设计 2 量程 2g，在 25C， 3其灵敏度为 512计数点 /g。 其硬件连接如图 3所示， 8脚上所加的直流电压 5脚 压标准值为 只要低于 可。 由于 须接上拉电阻才可输出高电平 。 图 3 传感器硬件连接图 主控器采用 由于此单片机没有 将 其通 用 I/ 成 显示部分采用 斜 角度，同时用发光二极管指示 倾斜 方向，通讯接口为 系统硬件结构框图如图 4所示： 图 4 系统结构框图 软件设计 程序设计包括 信，数据处理， 串口通信 等内容。 由于 口 工作于快速模式（ 400K） ， 所以 为配合其传输速率 ， 编程时各语句之间应适时 加入句以使 总线频率小于 400冲低电平期间准备数据 ， 在冲高电平期间传送数据 ， 其 程序 流程图如图 5 所示。 寻址时 ，向 芯片 写 7 位入口地址 （ 0010101），第 8 位决定数据传输的方向 。 传感器 芯片 的 输出 数据为 8 位 ，先 过以下方法合并 为 16 位输出值： 8)|; 8)|; 注 : 中是内部控制寄存器的值。 图 5 序流程图 由于加速度传感器的输出值只是加载在传感器两个轴上的重力加速度分量对应的计数值，所以 要输出倾角还需 要 进行数据处理。 首先考虑正负输出， 因为 值， 故 通过减去一个固定的偏移量达到正负 数值 输出的 目的。 偏移量 取最大输出值与最小输出值之和 的 一半 。 下面考虑轴向加速度分量与倾角间的关系。 假设 倾角为， Y 方向的倾角是，则输出信号与倾角大小存在以下关系： g _g ， =_g) =_g) 其中， 别表示 重力加速度在X 轴和 Y 轴方向上分量。 其 与倾角 在 90范围内的曲线如图 6 所示。不难看出 ，当角度变化不大时，轴向加速度与倾角之间几乎是线性关系。 其关系式可表示为： 0 0 - 8 0 - 6 0 - 4 0 - 2 0 0 20 40 60 80 100 . 8- 0 . 6- 0 . 4- 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81 或 ( )g)图 6 轴向加速度与倾角间的关系 采用 线性 近似 后，只要倾角不 是太 大，仍可以将误差控制在 较 小 范围内。 线性近似的 1 所示 4,5： 倾角大小 K（ /g） 最大误差（） 10 20 30 40 50 1 K 值 与最 大误差的关系 综合考虑正负输出和线性近似后，采用以下数据处理方法，得到两个轴向倾角数值。 2; 2; _2; _2; ; ; K*K*其中， 别是 X 轴的最大 最小输出值。 X 轴灵敏度， X 轴偏移量， X 轴方向重力加速度分量， X 轴实际输出角度值 ， Y 轴 同理。 串口通信 采用 准，实现单片机与 之间的通信。用 +编写上位机程序，使 经串口接收水平仪测量的倾角数值 ，并将数据以 本形式保存，有利于数据的进一步分析和处理 6。 3 抗干扰设计 加速度传感器的分辨率 容易受到外界噪声的影响，系统输出噪声随着测量带宽的改变而改变。通过 滤波处理，降低系统带宽，可以有效降低系统输出噪声 ，提高系统信噪比。 为了 保证 水平仪 有较高的灵敏度和 精确度，需要对系统 进行抗干扰设计 。 硬件抗干扰 为了防止电源引入外界干扰， 需对电源噪声进行抑制。如图 3所示 ，在 容摆放时要尽 量 靠近传感器芯片的电源引脚 ，并且引线长度要尽可能的短。 由于 传感器 采用的 是热对流原理，故在绘制 避免在传感器芯片附近放置明显热源。 铜区接地， 其大小与芯片尺寸相当，且在该区域周围的过孔要尽量对称。 软件抗干扰 通过软件滤波的方法可以进一步降低高数据接收的准确性。本 文 基于两种思想对数据进行滤波处理。 一方面，当前后两次接收到的测量数据之差的绝对值小于灵敏度 （为保险起见，取128g） 时，就保留 后接收的 数据，否则 将其抛弃。程序实现如下： ;/经过滤波后的数据 ) 0 另一方面，利用滑动平均理论，先接收10 个数据，再保留它们的算术平均值 ，可以较好的抑制随机噪声 。 由于 该方法 处理起来较为简便，这里不再赘述。 4 误差 分析 与方法改进 误差分析 我们对水平仪的性能进行了测试。 将其放置在长为 30平板上，平板一端固定，另一端调节高度 ，刻度从游标卡尺上读出 。高度变化数值为： 根据三角公式， 其对应的角度值分别为： 0、 5、10、 20、 30 （ 测量结果 见表 2） 。 观察发现， Y 轴数据的数据较为准确 ，但 X 轴向的测量结果并不理想。我们认为 这主要 是 零点校准 的 方法不当 引起的。 X 实际角度（） X 显示角度 （） Y 实际角度（） Y 显示角度（） 30 0 0 0 0 0 5 5 10 10 20 20 30 30 2 测量结果 方法改进 鉴于以上几点，我们对校零方法进行了改进。 由于水平放置时，输出倾角值应当为零，即仪器输出量减去 值必然为零。基于这一思想，在测量前我们 取 10个水平放置 时 的 输出值并求平均，将这个平均值作为数据处理的偏移量。不难看出，真正测量时， 这个偏移量固定不变。 实际操作中，在上电一瞬间使水平仪放平，再分别绕 轴一周，即可完成复位、校零等初始化工作。 修改 表 3和图 7所示。 可以看出 ，改进后的 倾角仪具有良好的线性 度和较高的精确度。 X 实际角度（） X 显示角度（） Y 实际角度（） Y 显示角度（） 30 0 0 0 0 0 5 5 10 10 20 20 30 30 3 改进后的测量结果 图 7 测量值与实际值的关系 采用最小二乘法拟合后的曲线如图 8所示，图中的拟合曲线与原曲线基本重合，线性度 优于 图 8 原始曲线与拟合曲线 5 结束 语 采用基于热对流原理的微型加速度传感器， 由于没有质量快， 有效减小了水平仪的体积。 在对信号滤波处理的同时， 通过改进偏移量算法， 抑制 了 零点漂移 问题 ， 提高了传感器的静态特性 。 本方案 实现了倾角数据的实时 测量 ，在 +10范围内可以进行 高精度 测量 ，分辨力为 。对于 精度要求 一般的场合， 该 仪器在 +30之间亦有广泛 的 应用前景 。 参考