【摘要】：隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展,航空航天、土木建筑、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域?qū)A斜角測(cè)量技術(shù)的要求也在不斷提高,特別是雷達(dá)、精密機(jī)械手臂、醫(yī)用CT等需要大量程高精度傾斜角測(cè)量的精密設(shè)備。針對(duì)于目前傾角儀大部分只能做到大量程低精度或者小量程高精度的情況,設(shè)計(jì)了一種基于MEMS傳感器的大量程高精度傾角儀。本文首先從增加系統(tǒng)的測(cè)量范圍出發(fā),測(cè)量單元采用由三個(gè)單軸MEMS加速度計(jì)組成的正交三軸測(cè)量模型,在同等測(cè)量精度的基礎(chǔ)上增大了傾斜角測(cè)量范圍;硬件設(shè)計(jì)部分選用低噪聲高精度的加速度傳感器,高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和高運(yùn)算速率的控制解算芯片,為數(shù)據(jù)的高精度采集處理打下基礎(chǔ)。隨后通過(guò)分析系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與測(cè)量模型,總結(jié)出了影響系統(tǒng)測(cè)量精度的主要因素。針對(duì)于目前傳統(tǒng)標(biāo)定方法存在的不足,提出了一種基于轉(zhuǎn)臺(tái)的多位置標(biāo)定方法,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)標(biāo)度因數(shù)矩陣和零點(diǎn)電壓的高精度標(biāo)定;針對(duì)于標(biāo)定后加速度傳感器標(biāo)度因數(shù)和零點(diǎn)電壓隨溫度變化而產(chǎn)生漂移的問(wèn)題,提出了一種分段式溫度補(bǔ)償方法,減小了環(huán)境溫度的變化對(duì)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的影響;針對(duì)于傾角儀系統(tǒng)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中零點(diǎn)電壓漂移的問(wèn)題,提出了一種現(xiàn)場(chǎng)快速標(biāo)定方法,在很大程度上增加了傾角儀系統(tǒng)的實(shí)用性。最后,利用三軸位置溫控轉(zhuǎn)臺(tái)分別對(duì)多位置標(biāo)定補(bǔ)償方法、分段式溫度補(bǔ)償方法、現(xiàn)場(chǎng)快速標(biāo)定方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明了三種誤差補(bǔ)償方法的有效性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,該系統(tǒng)能夠在全溫度范圍內(nèi)(-20℃~60℃)實(shí)現(xiàn)0°~360°的傾斜角測(cè)量而且測(cè)量最大誤差不超過(guò)0.01°。
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH712;TP212
【圖文】：

國(guó)內(nèi)外傾角儀系統(tǒng)研究及發(fā)展?fàn)顩r 傳統(tǒng)的傾角儀測(cè)量?jī)A斜角的理論依據(jù)一般是牛頓第二定律，即根據(jù)物體加速度的大跟它的質(zhì)量和所受到的力有一定的關(guān)系，利用重力場(chǎng)內(nèi)對(duì)物體造成的力來(lái)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)電信號(hào)，是在建國(guó)以來(lái)使用最多的傾角儀類型，這種傳統(tǒng)的傾角儀體積大、加工工藝雜、成本高、精度差、實(shí)時(shí)性差。 我國(guó)在近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著 MEMS 技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各個(gè)行業(yè)對(duì)傾儀性能要求的不斷提高，傾角儀逐漸走向智能化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)，基于 MEMS術(shù)的傾角儀受到了全世界的關(guān)注[13-15]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了很多生產(chǎn)傾角儀的廠家，們生產(chǎn)的傾角儀在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，精度也越來(lái)越高，體積越來(lái)越小。如圖 1.1 所為西安精準(zhǔn)測(cè)控公司生產(chǎn)的“PM-TS I/II-DH”系列的高精度溫補(bǔ)型傾角傳感器，內(nèi)部用分辨率為 24 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，并且配備強(qiáng)大的數(shù)字處理系統(tǒng)和誤差補(bǔ)償技術(shù)，軸測(cè)量范圍為 0～360°，精度達(dá)到 0.05°，全溫度范圍內(nèi)零點(diǎn)偏差小于 0.05°。

國(guó)內(nèi)外傾角儀系統(tǒng)研究及發(fā)展?fàn)顩r 傳統(tǒng)的傾角儀測(cè)量?jī)A斜角的理論依據(jù)一般是牛頓第二定律，即根據(jù)物體加速度的大跟它的質(zhì)量和所受到的力有一定的關(guān)系，利用重力場(chǎng)內(nèi)對(duì)物體造成的力來(lái)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)電信號(hào)，是在建國(guó)以來(lái)使用最多的傾角儀類型，這種傳統(tǒng)的傾角儀體積大、加工工藝雜、成本高、精度差、實(shí)時(shí)性差。 我國(guó)在近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著 MEMS 技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各個(gè)行業(yè)對(duì)傾儀性能要求的不斷提高，傾角儀逐漸走向智能化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)，基于 MEMS術(shù)的傾角儀受到了全世界的關(guān)注[13-15]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了很多生產(chǎn)傾角儀的廠家，們生產(chǎn)的傾角儀在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，精度也越來(lái)越高，體積越來(lái)越小。如圖 1.1 所為西安精準(zhǔn)測(cè)控公司生產(chǎn)的“PM-TS I/II-DH”系列的高精度溫補(bǔ)型傾角傳感器，內(nèi)部用分辨率為 24 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，并且配備強(qiáng)大的數(shù)字處理系統(tǒng)和誤差補(bǔ)償技術(shù)，軸測(cè)量范圍為 0～360°，精度達(dá)到 0.05°，全溫度范圍內(nèi)零點(diǎn)偏差小于 0.05°。

中北大學(xué)學(xué)位論文CA526T”型高精度傾角傳感器，在測(cè)量范圍為±90°時(shí)精度為 0.05°。國(guó)外器生產(chǎn)廠家主要為英國(guó)的 Clino 公司、芬蘭的 VTI 公司、日本的 Murata 公司要做組成傾角儀的敏感器件，利用 MEMS 技術(shù)對(duì)敏感單元輸出的電信號(hào)進(jìn)大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以通過(guò)器件上的數(shù)字接口直接與單片機(jī)或者電腦相連，極器件外部電路的復(fù)雜性，具有較高的實(shí)用性。如圖 1.3 所示為 VTI 公司生3100”型三軸數(shù)字傾角傳感器，采用 SPI 數(shù)字接口，全溫度范圍內(nèi)零點(diǎn)誤差；如圖 1.4 所示為 Murata 生產(chǎn)的“SCA3300”型三軸數(shù)字傾角傳感器，采用口，全溫度范圍內(nèi)零點(diǎn)誤差為±0.86°。

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本文編號(hào)：2805892