發(fā)布時間：2020-08-27 08:56

【摘要】：隨著我國工業(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斜角測量技術(shù)的要求也在不斷提高,特別是雷達、精密機械手臂、醫(yī)用CT等需要大量程高精度傾斜角測量的精密設(shè)備。針對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)的測量范圍出發(fā),測量單元采用由三個單軸MEMS加速度計組成的正交三軸測量模型,在同等測量精度的基礎(chǔ)上增大了傾斜角測量范圍;硬件設(shè)計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)。隨后通過分析系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與測量模型,總結(jié)出了影響系統(tǒng)測量精度的主要因素。針對于目前傳統(tǒng)標定方法存在的不足,提出了一種基于轉(zhuǎn)臺的多位置標定方法,實現(xiàn)了系統(tǒng)標度因數(shù)矩陣和零點電壓的高精度標定;針對于標定后加速度傳感器標度因數(shù)和零點電壓隨溫度變化而產(chǎn)生漂移的問題,提出了一種分段式溫度補償方法,減小了環(huán)境溫度的變化對系統(tǒng)測量結(jié)果的影響;針對于傾角儀系統(tǒng)在長期使用過程中零點電壓漂移的問題,提出了一種現(xiàn)場快速標定方法,在很大程度上增加了傾角儀系統(tǒng)的實用性。最后,利用三軸位置溫控轉(zhuǎn)臺分別對多位置標定補償方法、分段式溫度補償方法、現(xiàn)場快速標定方法進行了實驗驗證,證明了三種誤差補償方法的有效性。經(jīng)實驗驗證表明,該系統(tǒng)能夠在全溫度范圍內(nèi)(-20℃~60℃)實現(xiàn)0°~360°的傾斜角測量而且測量最大誤差不超過0.01°。
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH712;TP212
【圖文】：

國內(nèi)外傾角儀系統(tǒng)研究及發(fā)展狀況 傳統(tǒng)的傾角儀測量傾斜角的理論依據(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，利用重力場內(nèi)對物體造成的力來轉(zhuǎn)化為對應(yīng)電信號，是在建國以來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、實時性差。 我國在近半個世紀以來，隨著 MEMS 技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各個行業(yè)對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，基于 MEMS術(shù)的傾角儀受到了全世界的關(guān)注[13-15]。近年來，國內(nèi)出現(xiàn)了很多生產(chǎn)傾角儀的廠家，們生產(chǎn)的傾角儀在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，精度也越來越高，體積越來越小。如圖 1.1 所為西安精準測控公司生產(chǎn)的“PM-TS I/II-DH”系列的高精度溫補型傾角傳感器，內(nèi)部用分辨率為 24 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，并且配備強大的數(shù)字處理系統(tǒng)和誤差補償技術(shù)，軸測量范圍為 0～360°，精度達到 0.05°，全溫度范圍內(nèi)零點偏差小于 0.05°。

國內(nèi)外傾角儀系統(tǒng)研究及發(fā)展狀況 傳統(tǒng)的傾角儀測量傾斜角的理論依據(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，利用重力場內(nèi)對物體造成的力來轉(zhuǎn)化為對應(yīng)電信號，是在建國以來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、實時性差。 我國在近半個世紀以來，隨著 MEMS 技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各個行業(yè)對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，基于 MEMS術(shù)的傾角儀受到了全世界的關(guān)注[13-15]。近年來，國內(nèi)出現(xiàn)了很多生產(chǎn)傾角儀的廠家，們生產(chǎn)的傾角儀在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，精度也越來越高，體積越來越小。如圖 1.1 所為西安精準測控公司生產(chǎn)的“PM-TS I/II-DH”系列的高精度溫補型傾角傳感器，內(nèi)部用分辨率為 24 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，并且配備強大的數(shù)字處理系統(tǒng)和誤差補償技術(shù)，軸測量范圍為 0～360°，精度達到 0.05°，全溫度范圍內(nèi)零點偏差小于 0.05°。

中北大學學位論文CA526T”型高精度傾角傳感器，在測量范圍為±90°時精度為 0.05°。國外器生產(chǎn)廠家主要為英國的 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)對敏感單元輸出的電信號進大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以通過器件上的數(shù)字接口直接與單片機或者電腦相連，極器件外部電路的復雜性，具有較高的實用性。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)零點誤差為±0.86°。

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張宏樂,曹金棟;用于地球物理勘探的MEMS加速度傳感器[J];石油儀器;2002年02期

2 申小萌;;MEMS技術(shù)在電子通信產(chǎn)業(yè)中的意義初探[J];中國新通信;2016年07期

3 張堯;王媛媛;;電子通信產(chǎn)業(yè)中MEMS技術(shù)的應(yīng)用價值[J];物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);2014年09期

4 許鵬;陳琳;王娟;;MEMS加速度計的誤差補償方法[J];微納電子技術(shù);2016年07期

5 李鵬;喬清理;吳競;;基于MEMS加速度傳感器的傾斜鼠標[J];納米技術(shù)與精密工程;2016年06期

6 陸靜玲;;淺析MEMS技術(shù)在電子通信產(chǎn)業(yè)中的價值[J];硅谷;2011年14期

7 江杰;何敬;;基于磁感式和MEMS加速度傳感器的電子羅盤設(shè)計[J];傳感器世界;2009年04期

8 劉武發(fā);蔣蓁;龔振邦;;基于磁阻和MEMS加速度傳感器的電子羅盤設(shè)計及應(yīng)用[J];兵工學報;2008年02期

9 孫玉杰;賀思艷;徐小龍;田新誠;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償算法在基于MEMS的姿態(tài)檢測中的應(yīng)用[J];計算機應(yīng)用研究;2019年10期

10 宋穎;鮑其蓮;;導航系統(tǒng)MEMS加速度計的設(shè)計[J];自動化技術(shù)與應(yīng)用;2006年05期

相關(guān)會議論文 前10條

1 楊暉;劉欣;孫蓉霞;;數(shù)字式MEMS加速度傳感器在車載導航中的應(yīng)用[A];第三屆全國信息獲取與處理學術(shù)會議論文集[C];2005年

2 張寒;孫泉;湯亮;喬東海;;MEMS模擬反饋加速度傳感器及其測試[A];2013中國西部聲學學術(shù)交流會論文集（上）[C];2013年

3 王耀輝;胡江;;基于MEMS技術(shù)的太赫茲可調(diào)濾波器[A];2017年全國微波毫米波會議論文集（上冊）[C];2017年

4 駱英;沈毅;;基于MEMS數(shù)據(jù)存儲器中的二維驅(qū)動器結(jié)構(gòu)數(shù)值模型分析[A];科技、工程與經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展——中國科協(xié)第五屆青年學術(shù)年會論文集[C];2004年

5 孔德義;梅濤;;MEMS技術(shù)及其在汽車傳感器中的應(yīng)用[A];2004“安徽制造業(yè)發(fā)展”博士科技論壇論文集[C];2004年

6 陳新宇;朱健;郝西萍;李拂曉;林金庭;;MEMS開關(guān)的測試與模擬[A];2001年全國微波毫米波會議論文集[C];2001年

7 張永華;丁桂甫;蔡炳初;沈民誼;;射頻MEMS移相器研究進展[A];2003'全國微波毫米波會議論文集[C];2003年

8 戴永勝;張宇峰;祁高品;朱建;郁元衛(wèi);;毫米波MEMS單片集成移相器[A];2007年全國微波毫米波會議論文集（下冊）[C];2007年

9 趙興海;杜亦佳;鄭英彬;陳穎慧;高楊;鮑景富;蘇偉;;D波段MEMS波導濾波器研究[A];2011年全國微波毫米波會議論文集（下冊）[C];2011年

10 張玉祥;李華成;馬柳藝;;基于MEMS器件的交互筆運動跟蹤研究[A];第九屆全國信息獲取與處理學術(shù)會議論文集Ⅰ[C];2011年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 賽迪顧問分析師 李龍;中國MEMS產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段[N];中國電子報;2017年

2 證券時報記者 王小偉;耐威科技：MEMS業(yè)務(wù)盈利已超去年全年[N];證券時報;2018年

3 本報記者 徐勐 通訊員 崔敏 高麗靜;首屆中國(淄博)MEMS產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略高峰論壇舉行[N];淄博日報;2018年

4 本報記者 趙艷秋　馮曉偉 馮健;開發(fā)商借MEMS增勢拓展加速度傳感器組合新應(yīng)用[N];中國電子報;2009年

5 本報記者 張春濱;中國MEMS微激光技術(shù)領(lǐng)跑世界[N];新農(nóng)村商報;2017年

6 本報記者 馮健;磁傳感器：與MEMS結(jié)合拓展導航市場[N];中國電子報;2010年

7 意法半導體大中國區(qū)模擬及傳感器事業(yè)部技術(shù)市場經(jīng)理 吳衛(wèi)東;MEMS加速度傳感器：市場持續(xù)增長業(yè)界期待雙贏[N];中國電子報;2009年

8 意法半導體 魏鳴　閆子波;ST：MEMS加速度傳感器五大功能簡化用戶設(shè)計[N];中國電子報;2009年

9 亢春梅;汽車傳感器市場需求旺盛 MEMS產(chǎn)品將成主流[N];中國電子報;2008年

10 梁雄飛 梁麗霞;東漢名醫(yī)郭玉及其針灸術(shù)[N];中國中醫(yī)藥報;2004年

相關(guān)博士學位論文 前10條

1 王春田;MEMS數(shù)字檢波器采集系統(tǒng)技術(shù)研究[D];中國地質(zhì)大學（北京）;2011年

2 朱雁青;低功耗MEMS熱式風速風向傳感器的研究[D];東南大學;2016年

3 張國軍;纖毛式MEMS矢量水聽器研究[D];西北工業(yè)大學;2015年

4 田文超;MEMS及納米接觸研究[D];西安電子科技大學;2004年

5 紀新明;MEMS紅外光聲氣體傳感系統(tǒng)的研究[D];復旦大學;2005年

6 董鳳良;基于MEMS的光學讀出熱成像技術(shù)的研究[D];中國科學技術(shù)大學;2007年

7 王衛(wèi)東;面向MEMS設(shè)計的微流體流動特性研究[D];西安電子科技大學;2007年

8 杜廣濤;新型MEMS磁敏傳感器的研究[D];西南交通大學;2011年

9 甘志銀;MEMS器件真空封裝的研究[D];華中科技大學;2008年

10 范玉;基于MEMS的全固態(tài)雙增益阿達瑪光譜儀關(guān)鍵技術(shù)研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2010年

相關(guān)碩士學位論文 前10條

1 張波;基于MEMS傳感器的大量程高精度傾角儀設(shè)計[D];中北大學;2018年

2 孫淑珍;基于MEMS的矢量水聽器的研究[D];哈爾濱工程大學;2006年

3 張文杰;MEMS加速度傳感器讀出電路設(shè)計[D];湘潭大學;2013年

4 管宇;一種低頻三維MEMS矢量水聽器的研制[D];哈爾濱工程大學;2010年

5 譚楊康;MEMS高g值加速度傳感器的失效分析[D];北京理工大學;2016年

6 許高攀;用于光纖通信的MEMS光開關(guān)[D];廈門大學;2002年

7 丁志新;基于MEMS加速度傳感器人體模仿的設(shè)計與實現(xiàn)[D];華中科技大學;2008年

8 玄偉;硅基MEMS光強型光纖加速度計的設(shè)計與制作[D];吉林大學;2007年

9 孫良;MEMS可重構(gòu)帶通濾波器設(shè)計[D];電子科技大學;2018年

10 湯飛;MEMS振蕩器的頻率穩(wěn)定技術(shù)研究[D];電子科技大學;2018年

本文編號：2805892