傾角傳感器的溫度補償研究

于 娜，劉志遠，趙佳龍

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

傾角傳感器的溫度補償研究

于 娜，劉志遠，趙佳龍

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

半導(dǎo)體元件參數(shù)隨溫度變化而產(chǎn)生的溫度漂移，將導(dǎo)致傾角傳感器本身存在測量偏差，影響傾角測量的準確度。介紹了一種溫度補償方法，對基于加速度原理的差分電容式傾角傳感器進行了溫度補償。經(jīng)過試驗驗證結(jié)果表明：這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)傾角傳感器的溫度補償，在-55～85 ℃溫度范圍內(nèi)可將傾角傳感器的溫漂降低1個數(shù)量級，有效地減少了環(huán)境溫度對傾角傳感器性能的影響。

傾角傳感器；加速度；溫度補償

0 引 言

在航天航空、軍事火控、地質(zhì)測繪、橋梁檢測、機械建筑等領(lǐng)域中，為了達到狀態(tài)監(jiān)測和姿態(tài)控制的目的，要求傾角傳感器能精確測量某平面相對水平面的傾斜角度。在高精度激光儀器水平、船舶航行姿態(tài)測量、地質(zhì)設(shè)備傾斜監(jiān)測、衛(wèi)星通信車、姿態(tài)檢測等領(lǐng)域也都需要用傾角傳感器對角度進行精確測量。由于傾角傳感器長期工作在露天等環(huán)境惡劣的場合，工作環(huán)境溫度變化較大，且溫度變化引起的熱輸出會帶來較大的測量誤差，特別是半導(dǎo)體元件參數(shù)隨溫度變化而產(chǎn)生的溫度漂移，將導(dǎo)致傾角傳感器本身存在測量偏差，影響傾角測量的準確度[1，2]。同時，溫度變化也影響零點和靈敏度值的大小，繼而影響到傳感器的靜特性，所以，必須采取措施以減少或消除溫度變化帶來的影響，即必須進行溫度補償。

傾角傳感器溫度補償方法一般分為硬件補償法和軟件補償法。硬件補償法主要是通過改變器件結(jié)構(gòu)、材料、工作環(huán)境和工藝等方法提高測量結(jié)果的可靠性來實現(xiàn)的，它的優(yōu)點是硬件參數(shù)比較固定，利于量產(chǎn)，缺點是控制精度不高，靈活性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難達到理想效果。軟件補償是通過實驗進行誤差分離和補償[2]，隨著IC技術(shù)的發(fā)展，在線可編程的處理器件可以更加方便地修改參數(shù)，控制精度和時間，因此，目前對傾角傳感器多采用軟件方式進行溫度補償。

針對傾角傳感器的溫漂問題，本文提出了一種溫度補償方法，試驗表明：該方法極大減低了溫度對傾角傳感器的影響，取得了良好的補償效果。

1 傾角傳感器原理與電路結(jié)構(gòu)

1.1 測量原理

傳感器選用的是COLIBRYS公司的MS9000系列加速度芯片[3]，該芯片是基于加速度原理的電容式敏感芯片，其原理如圖1所示。該差動電容由一對定極板和一個動極板組成，動極板與橫梁相連，當有向左加速度信號時，電容C1減小，C2增大；同理，加速度反向時，C1增大，C2減小，兩個電容成差動輸出，通過檢測電路將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，根據(jù)此電壓信號即可計算出加速度的大小[3，4]。

圖1 差分電容式傾角傳感器原理框圖Fig 1 Principle block diagram of differential capacitive inclination sensor

1.2 傳感器電路結(jié)構(gòu)

傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。單片機選用MSP430系列，其突出優(yōu)點是低功耗，且所選芯片工作溫度范圍滿足-55～85 ℃要求。

圖2 電路結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Block diagram of circuit structure

2 傾角傳感器溫度補償方法

已知角度敏感單元輸出是電壓U，且存在溫度靈敏度。因此，只對角度敏感單元進行一維標定試驗，并獲得輸入(角度A)—輸出(電壓U)特性曲線來求取被測角度值會有較大誤差，因為被測量A不是輸出值U的一元函數(shù)。現(xiàn)在由另一溫度敏感單元輸出電壓Ut代表溫度信息t，則角度參量A可以用U和Ut二元函數(shù)來表示，即

A=f(U,Ut).

(1)

同理，也可以將角度敏感單元輸出電壓U描述為角度參量A和溫度敏感單元輸出Ut的二元函數(shù)

U=g(A,Ut).

(2)

由二維坐標(Ui，Uit)決定Ai在一平面上，可利用二次曲面擬合方程來描述

(3)

同樣

(4)

在角度敏感單元的量程范圍內(nèi)確定n個角度標定點，在工作溫度范圍內(nèi)確定m個溫度標定點，于是，由角度A與溫度t構(gòu)成的標準值發(fā)生器在各個標定點的標準輸入值為

Ai:A1,A2,A3,A4,…,An,

tj:t1,t2,t3,t4,…,tm.

在m個不同溫度狀態(tài)下，經(jīng)標定獲得了m條角度敏感單元的輸入—輸出特性，即A-U特性簇，同時獲得對應(yīng)于不同角度狀態(tài)的溫度敏感單元的n條輸入—輸出特性(t-Ut)，即t-Ut特性簇。

(5)

總計有m×n個標定點，其均方誤差δ1為

(6)

由上式可見，均方誤差δ1是常系數(shù)α0～α5的函數(shù)。為滿足均方誤差δ1取最小值，根據(jù)多元函數(shù)求極限條件，令下列各偏導(dǎo)數(shù)為零，即

則可得方程(7)

(7)

式中l(wèi)=m×n為標定點的總數(shù)。

整理后可得

(8)

根據(jù)試驗標定點的輸入標準值A(chǔ)k和tk；二敏感單元相應(yīng)的輸出值Uk和Utk；可以計算得到A～D，E～T諸值，從而可以聯(lián)立求解矩陣方程(8)，亦即矩陣方程(7)。于是，常系數(shù)α0～α5得以確定。至此，二次曲面擬合方程式(3)完全確定。

3 試驗驗證

試驗測試了溫度補償前后傾角傳感器在-55～85 ℃溫度范圍內(nèi)的最大漂移量，測試結(jié)果如表1所示。

從表1測試數(shù)據(jù)可看出：傳感器補償前在溫度范圍內(nèi)最大漂移量為0.89(°)/℃，補償后最大漂移量為0.091(°)/℃，漂移量降低了1個數(shù)量級，該方法有效降低了溫度對傳感器準確度的影響。

4 結(jié) 論

針對傾角傳感器的溫漂問題，本文提出了一種溫度補償方法，經(jīng)試驗驗證經(jīng)該方法補償后,傳感器的溫漂降低了1個數(shù)量級，有效降低了環(huán)境溫度對傳感器準確度的影響，增強了其環(huán)境適應(yīng)性，能夠滿足實際環(huán)境的需要。該傳感器具有體積小、低功耗、準確度高等特點，可以滿足地質(zhì)石油勘探、設(shè)備安裝、道路橋梁建設(shè)等工程應(yīng)用以及機器人控制、坦克和艦船火炮平臺控制、飛機姿態(tài)控制等的自動水平調(diào)節(jié)應(yīng)用，具有廣泛的應(yīng)用前景[5,6]。

表1 傾角傳感器溫度補償測試結(jié)果Tab 1 Temperature compensation test results of inclination sensor

[1] 吳 艷,鄭學理,曾志強，等.傾角傳感器溫度特性研究[J].電子測量技術(shù),2012,35(10)：8-12.

[2] 周慶飛，徐明龍.具有溫度自補償功能的高分辨力傾角傳感器的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(1)：107-110.

[3] Colibrys.MS9000.D Single axis analog accelerometer datasheet[EB/OL].[2011—10—20].http:∥colibrys.com.

[4] 王 巍,李早平,王 軍,等.基于微加速度傳感器的傾角傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010(12)：12-13.

[5] Lin D W.Design of dual-axis inclinometer based on MEMS acce-lerometer[C]∥Proceedings of The 3rd International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation,2011:959-961.

[6] 余小平,庹先國,王洪輝.基于SOC的高精度傾角測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2010，18(12)：34-37.

Research of temperature compensation of inclination sensor

YU Na, LIU Zhi-yuan, ZHAO Jia-long

(The 49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China )

Temperature drift of parameters of semiconductor elements along with variation of temperature,will cause inclination sensor exists measurement deviation which impact accuracy.Introduce a temperature compensation method which carry out temperature compensation on differential capacitive inclination sensor based on acceleration principle.The test results show that this method can realize temperature compensation of inclination sensor and the temperature drift decline one order of magnitude at the temperature range of -55 ℃～85 ℃,and effectively reduces impact of environment temperature on characteristics of inclination sensor.

inclination sensor; acceleration; temperature compensation

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0014—03

2014—07—23

TP 212

A

1000—9787(2014)10—0014—03

于 娜(1981-)，女，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，研究方向為信號與信息處理。