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高精度傾角傳感系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2013-03-13 責(zé)任編輯:shyhuang

【導(dǎo)讀】本文從傾角的高精度測(cè)量出發(fā),著重介紹了 傾角傳感器輸出穩(wěn)定性處理、溫度補(bǔ)償、非線性處理(正弦曲線擬合)、信號(hào)調(diào)理及其測(cè)量電路的特殊處理等。

傾角測(cè)量系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理及傳輸和其他輔助電路等模塊組成。傾角測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

 

 
圖1:系統(tǒng)硬件組成框圖

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(cè)量范圍為±30°。SCA100T系列是采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技 術(shù)制造的一款高分辨率雙軸傾角傳感器。SCA100T-D01數(shù)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(shù)字輸出的分辨率,故本設(shè)計(jì)采用其模擬輸出。模擬輸出將涉及較為復(fù)雜的模擬信號(hào)處理,如果模擬信號(hào)處理不當(dāng),系統(tǒng)的分辨率 和精度將大打折扣,有時(shí)甚至還不如數(shù)字輸出。采用合理的模擬信號(hào)處理電路是保證系統(tǒng)精度的方法之一。
SCA100T-D01內(nèi)置溫度傳感器,可以通過(guò)其自帶的SPI數(shù)字接口讀取溫度值,并在處理器中進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。這是保證系統(tǒng)精度的又一方法。

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(hào)有效地傳遞,即要求衰減最小,設(shè)計(jì)中采用了具有高輸入阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管型運(yùn)放TL081設(shè)計(jì)了阻抗匹配電路,采用同相輸入,以提高輸入阻抗。
信號(hào)放大電路采用ICL7653斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器來(lái) 完成,如圖2所示。ICL7653具有極低的失調(diào)電壓和偏置電流,具有較高的工作穩(wěn)定性和優(yōu)良的高精度放大功能。ICL7653斬波穩(wěn)零使用內(nèi)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(wěn)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。

 
圖2:信號(hào)放大電路

差分轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)

如圖3所示,差分轉(zhuǎn)換電路以AD8138AR為核心,將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換差分信號(hào),既可以提高共 模抑制比,有效減小共模信號(hào)影響,又可以驅(qū)動(dòng)SOC內(nèi)部的24位差分Sigma-Delta模/數(shù)轉(zhuǎn)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(hào)輸入點(diǎn)的距離可以很近,大大減少了外界噪聲的影響。

 
圖3:差分轉(zhuǎn)換電路

SOC微控制器資源分配

本設(shè)計(jì)選用Silicon Labs公司的C8051F350作為處理核心。C8051F350是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)(SOC),它自帶8K字節(jié)Flash存儲(chǔ)器,可在系統(tǒng)編 程;集成了1個(gè)全差分24位Siva-Delta模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),該ADC具有在片校準(zhǔn)功能,2個(gè)獨(dú)立的數(shù)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(xiàn)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(tǒng)成本和系統(tǒng)體積,而且大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

設(shè)計(jì)中采用C8051F350的24位Sigma-Delta模/數(shù)轉(zhuǎn)換器作系統(tǒng)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換,SPI接口作MEMS傾角傳感器的溫度采集,以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的溫度補(bǔ)償,UART作串行LED顯示接口。為保證模/數(shù)轉(zhuǎn)換器工作穩(wěn)定,采用外部基準(zhǔn)源。

ADC基準(zhǔn)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(yīng)的波 動(dòng)。因此設(shè)計(jì)時(shí),將給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路提供基準(zhǔn)源的輸出(如圖4所示),經(jīng)過(guò)提高驅(qū)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(zhǔn)源輸出紋波極小,且性能穩(wěn)定;另一方面,模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)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:基準(zhǔn)源電路

 
圖5:SCA100T電源電路

圖4中的基準(zhǔn)源LM236輸出的2.5 V電壓經(jīng)過(guò)軌對(duì)軌運(yùn)放OPA340組成的跟隨電路處理后,增大了驅(qū)動(dòng)能力,既作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的基準(zhǔn)源,同時(shí)還為差分轉(zhuǎn)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(wěn)定性運(yùn)放OPA340組成的運(yùn)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(wěn)定。

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信號(hào)的數(shù)學(xué)處理

ADC精度控制

C8051F350內(nèi)部有具有2個(gè)獨(dú)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(jù)參考文獻(xiàn)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(shè)計(jì)對(duì)速率要求低,而對(duì)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(zhǎng)的轉(zhuǎn)換周期,即輸出字速率較低,但具有較低噪聲。

根據(jù)參考文獻(xiàn),采用SINC3濾波器時(shí),該模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)際分辨率為:
 
根據(jù)實(shí)際分辨率的公式(1)可知,當(dāng)抽取比為1 920,輸出字速率為10 Hz時(shí),根據(jù)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(cè)的最小信號(hào)為0.0025°x70mV/°= 0.175 mV,根據(jù)0.175 mV/2.5 V="1"/14 286可知,ADC的位數(shù)至少應(yīng)為14位,即214=16 384>14 286,根據(jù)減額設(shè)計(jì)要求,取20位,所以本設(shè)計(jì)完全滿足設(shè)計(jì)要求。

溫度補(bǔ)償

根據(jù)參考文獻(xiàn),SCA100T-D01的溫度誤差曲線如圖6所示。

 
圖6:SCA100T溫度誤差補(bǔ)償曲線

通過(guò)曲線擬合,其曲線方程為:

 

在信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集后,轉(zhuǎn)換為角度輸出時(shí),根據(jù)實(shí)時(shí)采集的傾角傳感器SCA100T處的溫度值,就可以根據(jù)溫度補(bǔ)償曲線補(bǔ)償相應(yīng)的角度值,將溫度對(duì)傾角測(cè)量的影響降到最低。

曲線擬合

由于SCA100T系列傳感器輸出與傾斜角度存在非線性關(guān)系(非線性誤差在測(cè)量范圍內(nèi)為0.11°),這樣不利于分析處理測(cè)量結(jié)果。因此必須采取相應(yīng)的線性化措施,以補(bǔ)償傳感器引入的非線性。傳統(tǒng)方法中多數(shù)采用硬件方法,實(shí)現(xiàn)方法比較復(fù)雜,且穩(wěn)定性和可靠性難以控制。

由于SCA100T系列傳感器的非線性特性是已知的,則可以利用相應(yīng)的校正函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。由于微處理器具有很強(qiáng)的函數(shù)運(yùn)算與數(shù)據(jù)處理能力,用編程的方法可以很容易實(shí)現(xiàn)所需的校正函數(shù)。本設(shè)計(jì)采用SOC通過(guò)軟件編程的方法修正非線性。

在設(shè)計(jì)時(shí),將SCA100T-D01傳感器的測(cè)量范圍進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分,如將傾角為3°的這段曲線劃分為2.5°~3.5°,并將擬合曲線修改為下式:

 

式中,XIN為模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出值經(jīng)內(nèi)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(bǔ)償值,PI為圓周率。

上式既修正了傳感器輸出的非線性,又修正了溫度對(duì)傳感器的影響。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

該傾角測(cè)量系統(tǒng)在MC019-JJ2數(shù)字式2"光學(xué)分度頭標(biāo)準(zhǔn)儀器上進(jìn)行了分度和性能測(cè)試。MC019-JJ2數(shù)字式2"光學(xué)分度頭是一種對(duì)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(yàn)的精密光學(xué)計(jì)量?jī)x器,其顯示當(dāng)量為1"。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

 

從表2的測(cè)試數(shù)據(jù)可知,每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的偏差有正有負(fù),其主要原因在于這些測(cè)試點(diǎn)的曲線擬合是獨(dú)立的,互不影響。另外,在30°時(shí)絕對(duì)誤差最大,最大的絕對(duì)誤差為0.0044°,在1°時(shí)相對(duì)誤差最大,為0.001 8/1≈0.018%。

結(jié)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(shù)字接口實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償,同時(shí)采用基準(zhǔn)源和運(yùn)放驅(qū)動(dòng)作為傳感器的電源,提高了傳感器輸出的精度和穩(wěn)定性;信號(hào)處理時(shí),采用低漂移運(yùn)放處理電 路和差分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,有效提高了信號(hào)的信噪比和共模抑制比;采用正弦曲線擬合,有效改善了信號(hào)輸出的線性度。經(jīng)過(guò)以上多方面信號(hào)處理和優(yōu)化,在測(cè)量范圍 內(nèi)系統(tǒng)最大絕對(duì)誤差為0.004 4°。并且系統(tǒng)集成度較高,體積小,成本低,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(jī)器人控制、坦克和艦船火炮平臺(tái)控制、飛機(jī)姿態(tài) 控制等系統(tǒng)的自動(dòng)水平調(diào)節(jié)應(yīng)用。 
 

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