[發明專利]一種并行多個傾角傳感器芯片提高傾角儀測量精度的方法

在審

• 申請號: 201611213852.4
• 申請日: 2016-12-23
• 公開（公告）號: CN106840095A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 王輔宋;劉文峰;李婧;劉付鵬;謝鎮;劉國勇;李松;孫立鍇;王輔元
• 申請（專利權）人: 江西飛尚科技有限公司
• 主分類號: G01C9/00
• 分類號: G01C9/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司11246
• 代理人: 吳稱生

技術領域

本發明涉及一種并行多個傾角傳感器芯片提高傾角儀測量精度的方法，屬于土木工程的傾角儀技術領域，應用于結構安全健康監測行業。

背景技術

目前針對土木工程進行傾斜測量多采用傾角儀，而土木工程對于傾角的測量精度往往要求很高，比如地鐵基坑的擋土墻傾斜監測，國標要求傳感器精度能夠達到在0.02°左右，因此，在設計傳感器時，就需要選擇靈敏度高、噪聲低的MEMS傾角傳感器芯片，但是想達到監測的要求，提升測量精度時，單純通過選擇目前的MEMS傾角傳感器往往無法滿足系統要求，所以會限制MEMS傾角傳感器在高精度傾角測量行業的應用，也極大的約束了高精度傾角儀的成本控制。而且在使用高精度的傾斜儀芯片是，往往還要配置更高精度的模數轉換以及高精度基準源等價格昂貴的芯片，從而進一步提升了傾角儀的成本。

發明內容

針對上述的問題，本發明針對目前高精度傾角測量無法使用低成本的數字型MEMS加速度傳感器來實現的問題，采用了一種利用白噪聲疊加后，能夠降低噪聲總功率的方法，從而提高系統信噪比，實現了并行多個傾角傳感器芯片的方法對傾斜的高精度測量，實現MEMS傾角傳感器在高精度傾斜場景的應用，也極大地降低了傳感器成本。

本發明實現原理：使用微控制器內部的后端數字處理，可對多個數字傾角計傳感器的輸出求和，并且計算平均值。傾角計的測量重點是相對于水平面的傳感器傾斜測量的相對精度。通過組合多個信號輸出，噪聲密度得以減小，類似于多倍過采樣條件。比如，組合四個傾角計的信號輸出，并對其進行平均值計算，可以實現4倍改進。例如：理想情況下，使用四個并行傾角計，假設原來0.1°的精度在理論上能夠減小至0.025°通過這種方法就可以使用低成本的方案實現傾角的高精度測量。

傾角計之間的細微內部非線性失配將表現出獨特的傳遞曲線。有些非線性由于架構原因非常相似，但另一些非線性會因器件間的差異而有所不同。這些特點表現為總噪聲源以及一般隨機傳感器噪聲。我們可將所有這些噪聲統稱為噪聲。一般來說，多種噪聲相互之間通常沒有關聯。使用多個傾角傳感器芯片提高傾角儀測量精度的方法的主要益處是通過求平均值方法來消除這種隨機白噪聲。相反，如果對在相位和頻率上相關的干擾信號進行求和，它們的幅度將會累加，對并行傳感器方法沒有益處。

對兩個無關聯的信號(例如白噪聲)進行求和時，它們以″和的平方根″(RSS)形式進行數學上的組合。對于兩個相等的幅度(按照有效值RMS計算)，這會導致幅度增加，如果Vnoise_rms＝一個傳感器輸入上的噪聲，則兩個通道上的平均噪聲應為：

同理，n個相等有效值的噪聲求和時，則平均噪聲為：

公式中：V_noise-rms表示單個MEMS傾角傳感器芯片的自身的電壓噪聲有效值。n表示并行傳感器的數量。

由數列的知識可知，當n越大時，越小，所以增加的不相關信號越多，可以降低白噪聲，間接提高信噪比，從而實現高精度傾角數據的測量。

將相同關聯信號的兩個相同實例相加并計算平均值，功率幾乎保持不變(相同信號2倍相加并除以2)，而且隨機噪聲將減小信號功率的一半。理想情況下，整體平均信噪比(SNR)中的信號功率將會增加3dB。

一般工程上的傾斜測量多使用X、Y軸，三軸數字型MEMS傾角傳感器利用三個軸的傾角數據可以修正由于非被測方向的偏移引起的角度變化，比如假設測量X軸，但是同時Y、Z軸方向都有變化，這樣就需要考慮Y、Z軸方向的變化對X軸角度的影響，并利用三角函數知識可知，X、Y軸方向的角度計算公式分別為：

公式說明：

Ax表示三軸加速度的傳感器在x軸方向的重力加速度值，單位是mg；

Ay表示三軸加速度的傳感器在y軸方向的重力加速度值，單位是mg；

Az表示三軸加速度的傳感器在z軸方向的重力加速度值，單位是mg；

α表示傾角儀與x軸的夾角；

β表示傾角儀與y軸的夾角。

具體的，本發明所采用的技術方案為：一種并行多個傾角傳感器芯片提高傾角儀測量精度的方法，首先采用多個MEMS傾角傳感器芯片測量重力加速度傾角數據，并利用白噪聲疊加原理即公式(1)提高系統信噪比，再通過公式(2)公式(3)將每個軸的重力加速度值轉換成角度值從而得到高精度的傾角值。