楊建華

（浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，杭州300027）

0 引 言

傾角是表征空間中物體姿態(tài)信息重要參數(shù)之一，從國(guó)家戰(zhàn)略層面的航天飛船、地月衛(wèi)星、跨海大橋到實(shí)驗(yàn)室中的光學(xué)平臺(tái)、光學(xué)元器件安裝，都需要精確的傾角信息。早期傾角測(cè)量需要工作人員讀取水平儀中水泡的傾斜方向來(lái)判斷待測(cè)平面的傾斜方向和角度，這種依賴于操作人員主觀的測(cè)量方法會(huì)帶來(lái)較大的誤差。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和科研的高精度傾角測(cè)量需求，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)和公司相繼提出并研制了種類繁多的傾角傳感器，并已廣泛應(yīng)用在工業(yè)制造、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。何聰?shù)龋?-2］經(jīng)設(shè)計(jì)了基于傾角傳感器的橋梁撓度測(cè)量系統(tǒng)。趙猛［3］設(shè)計(jì)了一種基于傾角傳感器的移動(dòng)通信鐵塔形變預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信鐵塔的檢測(cè)、預(yù)警以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。此外，傾角傳感器還可以與其他測(cè)量技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行多維度和多功能性探測(cè)。郭俊康等［4］提出了一種運(yùn)用光學(xué)與傾角傳感器組合方式實(shí)現(xiàn)直線導(dǎo)軌系統(tǒng)5自由度運(yùn)動(dòng)誤差同時(shí)測(cè)量的方法，用來(lái)提高精密機(jī)械裝配效率與質(zhì)量。

根據(jù)傳感單元的不同，傾角傳感器件可以分為機(jī)械傾角傳感器、電學(xué)傾角傳感器和光學(xué)傾角傳感器，機(jī)械傾角傳感器一般采用擺錘作為運(yùn)動(dòng)單元，通過(guò)探測(cè)重力加速度的分量實(shí)現(xiàn)傾角測(cè)量。電子水泡作為一種常見(jiàn)的電學(xué)傾角傳感器，其原理是通過(guò)在電解質(zhì)液體中預(yù)留一個(gè)空氣泡，通過(guò)電橋電路解調(diào)得到傾斜角度［5］。光學(xué)傾斜傳感器基于自準(zhǔn)直原理和液體表面反射原理，利用PSD或者CCD探測(cè)傾角變化導(dǎo)致的光斑位置變化［6-7］。隨著微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，基于微電機(jī)系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)的傾角傳感器憑借體積小、功耗低、集成度好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建傾角傳感系統(tǒng)［8-9］。

本文采用基于3D-MEMS技術(shù)的單軸傾角傳感器芯片，研制了一種高精度智能雙軸傾角傳感器件，描述了本雙軸傾角傳感器件的硬件組成、工作原理，并對(duì)其進(jìn)行誤差分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的高精度雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，并進(jìn)行了傾角測(cè)量精度和溫度特性的測(cè)試。

1 硬件組成

由圖1可以看出，雙軸傾角傳感器器件主要由兩個(gè)單軸傾角傳感器芯片、模擬信號(hào)放大電路、濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)芯片等組成，將兩個(gè)單軸傾角傳感器感受到的傾角變化以數(shù)字量的形式輸出，此外，為了方便補(bǔ)償環(huán)境溫度引起的芯片角度測(cè)量靈敏度漂移，同時(shí)將芯片內(nèi)部的溫度信息采集出來(lái)，并與角度信息同步發(fā)送給上位機(jī)軟件。單軸傾角傳感器芯片采用了日本村田公司生產(chǎn)的SCA103T差分傾角傳感器，其采用3D MEMS技術(shù)將硅材料加工成三維結(jié)構(gòu)并進(jìn)行密封制備而成，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、能耗低、精度高等優(yōu)點(diǎn)［10-11］。SCA103T差分傾角傳感器的內(nèi)部包括兩個(gè)不同的傳感單元，在同一測(cè)量方向上輸出相反的信號(hào)，繼而通過(guò)差分測(cè)量原理可以去除大部分的共模測(cè)量誤差，有效降低噪聲、提高傳感芯片的穩(wěn)定性。為了拓展傾角傳感器的應(yīng)用范圍，采用了兩個(gè)SCA103T差分傾角傳感器，并將它們正交焊接在電路板上，使得所研制的雙軸傾角傳感器可以同時(shí)探測(cè)平面的傾斜角度。將SCA103T差分傾角傳感器芯片輸出的兩路模擬電壓信號(hào)連接到全差分輸入／輸出低噪聲放大器（THS4131），并且經(jīng)過(guò)外圍濾波電路濾除信號(hào)中的高頻分量，避免輸出的電壓信號(hào)受電源影響。兩路差分信號(hào)進(jìn)入到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（CS5532）的差分輸入端，CS5532芯片是美國(guó)Cirrus Logic公司生產(chǎn)的高集成度、多通道Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用電荷平衡技術(shù)和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測(cè)量放大器，可以得到24位分辨率的輸出結(jié)果［12］。經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過(guò)SPI串行接口發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，選用的是單片機(jī)是基于ARM架構(gòu)的STM32F103系列單片芯片。結(jié)合本文選用傾角傳感器芯片和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，可以求得在理想情況下傾角傳感器的最小可分辨角度為0.006 4°／s，此時(shí)角度測(cè)量范圍為±15°，然而在實(shí)際情況下，由于存在電路和環(huán)境噪聲，很難達(dá)到理想值。

圖1 雙軸傾角傳感器硬件組成框圖

利用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)高性能智能雙軸傾角傳感器的硬件電路，并進(jìn)行軟件仿真，然后制備成PCB電路板，并將所選用的差分傾角傳感器芯片、運(yùn)放芯片、模數(shù)傳感芯片、單片機(jī)芯片焊接在電路板上。圖2所示為研制的高精度智能雙軸傾角傳感器的實(shí)物裝置圖。由圖可見(jiàn)，SCA103T傾角傳感器芯片含有12個(gè)引腳，整體結(jié)構(gòu)為矩形，傾角感應(yīng)方向沿著短邊。這里，兩個(gè)傾角傳感器芯片垂直的焊接在電路板上，用于測(cè)量整個(gè)PCB平面的傾角變化。CS5532模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片含有20個(gè)引腳，其中兩個(gè)輸入通道用于接收上述兩個(gè)傾角傳感器的差分模擬信號(hào)。進(jìn)一步地，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將兩個(gè)傾角傳感器探測(cè)的角度以數(shù)字量的形式傳遞給STM32單片機(jī)芯片，通過(guò)后續(xù)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定，將得到的標(biāo)度因數(shù)通過(guò)程序燒錄到單片機(jī)內(nèi)部，從而可以直接在上位機(jī)軟件上得到實(shí)時(shí)的角度信息。電路板實(shí)物電學(xué)性能測(cè)試完畢后，將其安裝到設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行后續(xù)的角度標(biāo)定工作和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

2 工作原理及誤差分析

對(duì)于傳統(tǒng)的傾角傳感器，按照原理可以分為“固體擺”式傾角傳感器、“液體擺”式傾角傳感器和“氣體擺”式傾角傳感器，它們的敏感質(zhì)量分別為擺錘質(zhì)量、電解質(zhì)以及氣體［13-15］。與上述傳統(tǒng)的傾角傳感器不同，本文的SCA103T傾角傳感器是采用3D MEMS技術(shù)制備而成的，其本質(zhì)上可以看作是一個(gè)MEMS加速度傳感器，具有使用壽命長(zhǎng)、成本低、可靠性高、體積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。本傳感器通過(guò)可動(dòng)質(zhì)量塊感應(yīng)加速度，利用平行板電容將質(zhì)量塊的相對(duì)位移轉(zhuǎn)換為電容的變化，再通過(guò)檢測(cè)電路將電容的微小變化轉(zhuǎn)化為與其成正比的電壓的變化。圖3為利用MEMS傾角傳感器測(cè)量?jī)A角變化的工作原理示意圖，采用雙軸的加速度輸出得到單個(gè)方向的傾角。首先，假設(shè)傾角傳感器處于笛卡爾坐標(biāo)系中，其中x、y軸相互正交，g表示傾角傳感器所受的重力加速度，方向沿y軸豎直向下，傾角傳感器內(nèi)部的加速度計(jì)感應(yīng)軸分別沿i、j軸，相互正交。圖3（a）表示傾角傳感器在初始時(shí)刻處于水平位置時(shí)的工作狀態(tài)，此時(shí)，加速度計(jì)感應(yīng)軸i軸和j軸與笛卡爾坐標(biāo)系的x、y軸重合，加速計(jì)i軸輸出iout＝g，j軸輸出jout＝0。圖3（b）表示傾角存在時(shí)角傳感器的工作狀態(tài)，加速度計(jì)感應(yīng)軸i、j軸與笛卡爾坐標(biāo)系的x、y軸不再重合，存在夾角α，此時(shí)加速計(jì)i軸輸出和j軸輸出可以表示為：

圖3 MEMS傾角傳感器測(cè)量?jī)A角變化的工作原理示意圖

當(dāng)檢測(cè)電路得到加速計(jì)i軸輸出和j軸輸出后，就可以根據(jù)反正切方程求得到此時(shí)傾角傳感器與水平面的傾斜角度，有

本文研究的雙軸傾角傳感器件由兩個(gè)相同型號(hào)的單軸傾角傳感器實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)單軸傾角傳感器只能感受到與其感應(yīng)軸平行方向的傾角變化，通過(guò)將兩個(gè)單軸傾角傳感器焊接正交的焊接在PCB上，即可實(shí)現(xiàn)PCB平面內(nèi)的傾角測(cè)量。然而，在實(shí)際制備過(guò)程中，PCB的制作和雙軸傾角傳感器的焊接等都會(huì)給雙軸傾角傳感器件帶來(lái)誤差，這里分析了當(dāng)傾角傳感器與PCB表面不平行以及兩個(gè)傾角傳感器焊接位置不正交等誤差對(duì)傾角傳感器的影響。

受加工精度限制，PCB表面尤其是傾角傳感器芯片焊盤(pán)并不能保證厚度完全一致，這就導(dǎo)致當(dāng)PCB放置水平時(shí)，其輸出傾角不為零。所以當(dāng)PCB與傾角傳感器之間的夾角控制在一定范圍內(nèi)時(shí)，只會(huì)影響傾角傳感器的零點(diǎn)位置，而對(duì)傾角傳感器的其他性能沒(méi)有影響。另外，兩個(gè)傾角傳感器放置位置不正交也會(huì)對(duì)雙軸傾角傳感器的性能產(chǎn)生影響。當(dāng)雙軸傾角傳感器安裝到待測(cè)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，讀取兩個(gè)傾角傳感器的輸出，分別記為φx和φy，則可以得到待測(cè)結(jié)構(gòu)的傾角變化為

式中，θx和θy分別表示傾角傳感器與正交坐標(biāo)軸的夾角。

3 器件標(biāo)定與性能評(píng)估

為了保證研制的雙軸傾角傳感器使用效果，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定以及相關(guān)性能評(píng)測(cè)。首先利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定得到其標(biāo)度因數(shù)k，將雙軸傾角傳感器PCB封裝在一機(jī)械結(jié)構(gòu)中，并固定在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的臺(tái)面上。由SCA103T傾角傳感器芯片資料可知，傾角傳感器的量程為±15°。由于2個(gè)傾角傳感器是正交安裝，理想情況下當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)沿著其中一個(gè)傾角傳感器的感應(yīng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)另一個(gè)傾角傳感器沒(méi)有影響，所以分別對(duì)2個(gè)傾角傳感器進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)改變雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面的傾斜角度從－15°增加到15°，步進(jìn)角度設(shè)定為1°，讀取雙軸傾角傳感器輸出的數(shù)字量。假設(shè)兩個(gè)傾角傳感器分別記為T(mén)S1和TS2，圖4（a）、（b）表示兩個(gè)傾角傳感器TS1和TS2的標(biāo)定結(jié)果。從圖中結(jié)果可以得到，TS1的標(biāo)度因數(shù)和零偏分別為2.519×106和4.166×107；而TS2的標(biāo)度因數(shù)和零偏分別為2.543×106和4.077×107。說(shuō)明兩個(gè)傾角傳感器芯片之間存在比較好的一致性，其少量差異主要與廠家生產(chǎn)芯片的工藝有關(guān)。此外在標(biāo)定過(guò)程中，假設(shè)兩個(gè)傾角傳感器的感應(yīng)軸是嚴(yán)格正交的，實(shí)際情況中兩個(gè)感應(yīng)軸非理想正交也會(huì)給標(biāo)定過(guò)程帶來(lái)誤差。

圖4 雙軸傾角傳感器在－15°～15°范圍內(nèi)的標(biāo)定結(jié)果

將標(biāo)定得到的標(biāo)度因數(shù)和零偏數(shù)據(jù)通過(guò)補(bǔ)償程序燒錄到雙軸傾角傳感器件的STM32單片機(jī)內(nèi)，就可以直接從雙軸傾角傳感器件得到傾角數(shù)據(jù)。進(jìn)一步地，對(duì)研制的雙軸傾角傳感器的靜態(tài)輸出進(jìn)行分析。將雙軸傾角傳感器放置在一固定平臺(tái)上，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室空調(diào)，并盡量減少實(shí)驗(yàn)室人員走動(dòng)，利用上位機(jī)軟件記錄并保存雙軸傾角傳感器的輸出結(jié)果。從上電時(shí)刻起，雙軸傾角傳感器件在靜態(tài)條件下一直測(cè)試了400 s，測(cè)試結(jié)果如圖5中綠色曲線所示。從圖中可以看出，本研制的雙軸傾角傳感器在啟動(dòng)時(shí)間52 s內(nèi)就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，充分說(shuō)明了此器件具有啟動(dòng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)。之后雙軸傾角傳感器維持在穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)測(cè)得的角度為0.49°左右。圖5中的橙色曲線表示在80～150 s測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，雙軸傾角傳感器的輸出角度變化，從圖中結(jié)果看出，輸出角度控制在0.493 6°～0.495 6°以內(nèi)?？梢杂?jì)算得到這段時(shí)間內(nèi)的輸出角度均值為0.494 5°，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.000 294°，說(shuō)明了研制的雙軸傾角傳感器具有較好的測(cè)量精度。此外，還可以對(duì)雙軸傾角傳感器的輸出進(jìn)行濾波，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

圖5 雙軸傾角傳感器靜態(tài)測(cè)試結(jié)果

對(duì)研制的雙軸傾角傳感器的溫度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定。將雙軸傾角傳感器件固定在實(shí)驗(yàn)室的溫箱內(nèi)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用的溫箱為專門(mén)用于測(cè)定慣性器件的，其溫箱內(nèi)部的臺(tái)面與溫箱在結(jié)構(gòu)上相對(duì)獨(dú)立，并且集成了電源和通訊接口，此外臺(tái)面上安裝由防風(fēng)罩用防止溫箱內(nèi)部氣流對(duì)慣性器件測(cè)試的影響。將雙軸傾角傳感器通電一段時(shí)間后，設(shè)定溫箱的溫度從－20℃上升到60℃，采集雙軸傾角傳感器的輸出數(shù)據(jù)。圖6（a）和（b）分別展示了在溫箱工作過(guò)程中，雙軸傾角傳感器件輸出的溫度和傾角隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖可以看出，傾角傳感器內(nèi)部的溫度傳感單元可以準(zhǔn)確反映溫箱內(nèi)部的溫度變化，并且隨著溫箱溫度的增加，雙軸傾角傳感器的輸出角度也在不斷增加。雙軸傳感器的輸出角度隨溫度的變化關(guān)系，如圖7所示。可以看出，輸出角度和溫度之間存在著函數(shù)關(guān)系，通過(guò)二項(xiàng)式擬合可以得到其函數(shù)表達(dá)式如下：

圖6 雙軸傾角傳感器溫度及輸出角度測(cè)試結(jié)果

圖7 雙軸傾角傳感器輸出角度隨溫度變化的關(guān)系

從圖中結(jié)果還可以看出，函數(shù)的擬合度達(dá)到了0.99，說(shuō)明后續(xù)可以對(duì)雙軸傾角傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使其在－20～60℃范圍內(nèi)保證輸出的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

介紹了一種高精度智能雙軸傾角傳感器的硬件組成和工作原理，并對(duì)其在傾角測(cè)量過(guò)程中的誤差進(jìn)行了分析，最后對(duì)研制的雙軸傾角傳感器樣機(jī)進(jìn)行了傾角標(biāo)定和性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的雙軸傾角傳感器具有很短的啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間以及比較高的測(cè)量精度，并且具有比較好的溫度特性，后續(xù)若溫度補(bǔ)償函數(shù)寫(xiě)入控制程序后，將會(huì)在－20～60℃溫度范圍內(nèi)保證輸出的穩(wěn)定性。

傾角傳感器在實(shí)驗(yàn)室儀器安裝調(diào)校和工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文提出的這種高精度智能雙軸傾角傳感器不僅提供大動(dòng)態(tài)、高精度的整個(gè)平面的傾角測(cè)量，而且可以利用上位機(jī)軟件通過(guò)串口采集和保存實(shí)時(shí)的傾角數(shù)據(jù)，為用戶提供了極大的便利。