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在地質(zhì)石油勘探、設備安裝、道路橋梁建設等工程應用以及機器人控制、坦克和艦船火炮平臺控制、飛機姿態(tài)控制等系統的自動(dòng)水平調節中，都需要高精度的傾角測量。但高精度的傾角，測量設備通常體積較大，成本高，使許多工程應用受到限制。本文從傾角的高精度測量出發(fā)，著(zhù)重介紹了傾角傳感器輸出穩定性處理、溫度補償、非線(xiàn)性處理(正弦曲線(xiàn)擬合)、信號調理及其測量電路的特殊處理等。 1 傾角測量系統的硬件設計 傾角測量系統硬件部分主要由MEMS傳感器(含雙軸傾角傳感器和溫度傳感器)、SOC電路、數據處理及傳輸和其他輔助電路等模塊組成。傾角測量系統的組成框圖如圖1所示。 
1.1 MEMS傾角傳感器接口 MEMS傾角傳感器采用芬蘭VTI Technologies公司的SCA100T系列中的SCA100T-D01，測量范圍為±30°。SCA100T系列是采用微機電系統(MEMS)技術(shù)制造的一款高分辨率雙軸傾角傳感器。SCA100T-D01數字輸出分辨率為0.035°/LSB，模擬輸出分辨率為0.002 5°。模擬輸出的分辨率大大高于數字輸出的分辨率，故本設計采用其模擬輸出。模擬輸出將涉及較為復雜的模擬信號處理，如果模擬信號處理不當，系統的分辨率和精度將大打折扣，有時(shí)甚至還不如數字輸出。采用合理的模擬信號處理電路是保證系統精度的方法之一。 SCA100T-D01內置溫度傳感器，可以通過(guò)其自帶的SPI數字接口讀取溫度值，并在處理器中進(jìn)行相應的溫度補償。這是保證系統精度的又一方法。 1.2 阻抗匹配及放大 SCA100T-D01輸出阻抗為10 kΩ，為保證MEMS傾角傳感器SCA100T-D01輸出的信號有效地傳遞，即要求衰減最小，設計中采用了具有高輸入阻抗的場(chǎng)效應管型運放TL081設計了阻抗匹配電路，采用同相輸入，以提高輸入阻抗。
信號放大電路采用ICL7653斬波穩零運算放大器來(lái)完成，如圖2所示。ICL7653具有極低的失調電壓和偏置電流，具有較高的工作穩定性和優(yōu)良的高精度放大功能。ICL7653斬波穩零使用內部時(shí)鐘時(shí)，在CA、CB與CR端之間加上0.1 μF的低泄放、高穩定性的聚酯或聚丙烯電容。同時(shí)在雙電源接入端進(jìn)行濾波和去耦處理。 1.3 差分轉換及驅動(dòng)
如圖3所示，差分轉換電路以AD8138AR為核心，將單端信號轉換差分信號，既可以提高共模抑制比，有效減小共模信號影響，又可以驅動(dòng)SOC內部的24位差分Sigma-Delta模/數轉換器。AD8138AR具有較寬的模擬帶寬(320 MHz，-3 dB。增益為1時(shí))，而且AD8138AR為表面封裝器件，器件體積小，使得ADC與信號輸入點(diǎn)的距離可以很近，大大減少了外界噪聲的影響。 1.4 SOC微控制器資源分配 本設計選用Silicon Labs公司的C8051F350作為處理核心。C8051F350是真正能獨立工作的片上系統(SOC)，它自帶8K字節Flash存儲器，可在系統編程;集成了1個(gè)全差分24位Siva-Delta模/數轉換器(ADC)，該ADC具有在片校準功能，2個(gè)獨立的數字抽取濾波器可被編程到1 kHz的采樣率;具有2路UART和1路SPI接口。與其他類(lèi)型的微控制器實(shí)現相同功能需要多個(gè)芯片的組合才能完成相比，C8051F350不僅減少了系統成本和系統體積，而且大大提高了系統的可靠性。 設計中采用C8051F350的24位Sigma-Delta模/數轉換器作系統信號的模數轉換，SPI接口作MEMS傾角傳感器的溫度采集，以實(shí)現對傳感器的溫度補償，UART作串行LED顯示接口。為保證模/數轉換器工作穩定，采用外部基準源。 1.5 ADC基準源及傳感器電源 MEMS傾角傳感器SCA100T在傾角為0°時(shí)，模擬輸出為其電源電壓的1/2倍，如果傾角傳感器電源電壓有波動(dòng)，則其輸出會(huì )產(chǎn)生相應的波動(dòng)。因此設計時(shí)，將給模數轉換電路提供基準源的輸出(如圖4所示)，經(jīng)過(guò)提高驅動(dòng)能力后，提供給MEMS傾角傳感器SCA100T作電源(如圖5所示)。一方面，基準源輸出紋波極小，且性能穩定;另一方面，模數轉換器的基準源和MEMS傾角傳感器SCA100T的電源同時(shí)向相同方向變化，抵消了MEMS傾角傳感器因電源引起零點(diǎn)漂移的影響。
圖4中的基準源LM236輸出的2.5 V電壓經(jīng)過(guò)軌對軌運放OPA340組成的跟隨電路處理后，增大了驅動(dòng)能力，既作為模數轉換電路的基準源，同時(shí)還為差分轉換電路提供中心電壓，以及MEMS傾角傳感器SCA100T的電源輸入。
圖5中的輸入為圖4中的參考電壓(VREF)輸出。以低漂移、高穩定性運放OPA340組成的運放電路給傾角傳感器SCA100T提供電源，能保證電源紋波小，工作穩定。 2 信號的數學(xué)處理 2.1 ADC精度控制 C8051F350內部有具有2個(gè)獨立的抽取濾波器(SINC3濾波器和快速濾波器)和1個(gè)可編程增益放大器。根據參考文獻SINC3濾波器RMS噪聲小，精度高，缺點(diǎn)是輸出速率較低，而快速濾波器則相反。本設計對速率要求低，而對精度要求高，因此選用SINC3濾波器。SINC3濾波器典型RMS噪聲如表1所示。
從表1可知，較高的抽取比需要較長(cháng)的轉換周期，即輸出字速率較低，但具有較低噪聲。 根據參考文獻，采用SINC3濾波器時(shí)，該模/數轉換器的實(shí)際分辨率為：
根據實(shí)際分辨率的公式(1)可知，當抽取比為1 920，輸出字速率為10 Hz時(shí)，根據實(shí)際分辨率的公式(1)可得到實(shí)際分辨率約為20.00位。 SCA100T傳感器的靈敏度為70mV/(°)，分辨率為0.0025°，ADC參考電壓VREF為2.5V，則需要能檢測的最小信號為0.0025°x70mV/°= 0.175 mV，根據0.175 mV/2.5 V=1/14 286可知，ADC的位數至少應為14位，即214=16 384>14 286，根據減額設計要求，取20位，所以本設計完全滿(mǎn)足設計要求。 2.2 溫度補償 根據參考文獻，SCA100T-D01的溫度誤差曲線(xiàn)如圖6所示。
通過(guò)曲線(xiàn)擬合，其曲線(xiàn)方程為：
在信號通過(guò)模數轉換器采集后，轉換為角度輸出時(shí)，根據實(shí)時(shí)采集的傾角傳感器SCA100T處的溫度值，就可以根據溫度補償曲線(xiàn)補償相應的角度值，將溫度對傾角測量的影響降到最低。 2.3 曲線(xiàn)擬合 由于SCA100T系列傳感器輸出與傾斜角度存在非線(xiàn)性關(guān)系(非線(xiàn)性誤差在測量范圍內為0.11°)，這樣不利于分析處理測量結果。因此必須采取相應的線(xiàn)性化措施，以補償傳感器引入的非線(xiàn)性。傳統方法中多數采用硬件方法，實(shí)現方法比較復雜，且穩定性和可靠性難以控制。 由于SCA100T系列傳感器的非線(xiàn)性特性是已知的，則可以利用相應的校正函數進(jìn)行補償。由于微處理器具有很強的函數運算與數據處理能力，用編程的方法可以很容易實(shí)現所需的校正函數。本設計采用SOC通過(guò)軟件編程的方法修正非線(xiàn)性。 在設計時(shí)，將SCA100T-D01傳感器的測量范圍進(jìn)行進(jìn)一步細分，如將傾角為3°的這段曲線(xiàn)劃分為2.5°～3.5°，并將擬合曲線(xiàn)修改為下式：
式中，XIN為模數轉換器輸出值經(jīng)內部SINC3濾波器濾波后得到的采樣值，TER為SCA100T傳感器的實(shí)時(shí)溫度補償值，PI為圓周率。 上式既修正了傳感器輸出的非線(xiàn)性，又修正了溫度對傳感器的影響。 3 實(shí)測數據 該傾角測量系統在MC019-JJ2數字式2"光學(xué)分度頭標準儀器上進(jìn)行了分度和性能測試。MC019-JJ2數字式2"光學(xué)分度頭是一種對裝夾在其主軸上的工件進(jìn)行角度分度或進(jìn)行角度檢驗的精密光學(xué)計量?jì)x器，其顯示當量為1"。測試數據如表2所示。
從表2的測試數據可知，每個(gè)測試點(diǎn)的偏差有正有負，其主要原因在于這些測試點(diǎn)的曲線(xiàn)擬合是獨立的，互不影響。另外，在30°時(shí)絕對誤差最大，最大的絕對誤差為0.0044°，在1°時(shí)相對誤差最大，為0.001 8/1≈0.018%。 4 結束語(yǔ) 本文采用MEMS傾角傳感器SCA100T的模擬接口為輸出，采用其數字接口實(shí)現溫度補償，同時(shí)采用基準源和運放驅動(dòng)作為傳感器的電源，提高了傳感器輸出的精度和穩定性;信號處理時(shí)，采用低漂移運放處理電路和差分模數轉換電路，有效提高了信號的信噪比和共模抑制比;采用正弦曲線(xiàn)擬合，有效改善了信號輸出的線(xiàn)性度。經(jīng)過(guò)以上多方面信號處理和優(yōu)化，在測量范圍內系統最大絕對誤差為0.004 4°。并且系統集成度較高，體積小，成本低，可以滿(mǎn)足地質(zhì)石油勘探、設備安裝、道路橋梁建設等工程應用以及機器人控制、坦克和艦船火炮平臺控制、飛機姿態(tài)控制等系統的自動(dòng)水平調節應用。 |
