[發(fā)明專利]一種基于三明治式角度敏感器的高精度雙軸傾斜測量裝置

有效

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• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107504950B
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發(fā)明（設計）人: 孫鵬;邱飛燕;徐杰;范冬青;邢朝洋;王玉良;王增躍
• 申請（專利權）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: G01C9/00
• 分類號: G01C9/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張歡

一種基于三明治式角度敏感器的高精度雙軸傾斜測量裝置，包括雙軸傾角傳感器電路、電連接器和封裝殼體；雙軸傾角傳感器電路包括X軸MEMS角度敏感器、Y軸MEMS角度敏感器、調理電路、A/D轉換電路、單片機電路、串口電路，MEMS角度敏感器敏感到安裝載體傾斜角度的變化，后經調理電路、A/D轉換電路、單片機電路、串口輸出與傾斜角度成比例的數字量連續(xù)信號；電連接器焊接在雙軸傾角傳感器電路上并安裝在金屬封裝殼體上形成電氣接口；封裝殼體將雙軸傾角傳感器電路和電連接器封裝在一起，并通過安裝法蘭形成機械接口。本發(fā)明可廣泛應用于無人機、艦載設備、衛(wèi)星通訊、工程機械、鐵塔智能監(jiān)測、太陽能追蹤系統(tǒng)等平臺的傾斜角度測量。

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于“三明治”式角度敏感器的高精度雙軸傾斜測量裝置，屬于微機械領域和測量領域。

背景技術

傾斜測量裝置主要用于安裝載體傾斜角度的測量，按工作原理可以分為固擺式、氣擺式和液擺式三種。固擺式傾角傳感器敏感物質是擺錘的質量，由于具有明確的擺長和擺心，其產品的精度和抗過載能力較高，但體積大，因此使用受到一定限制。氣擺式傾角傳感器內，氣體是密封腔中唯一運動體，它的質量小，在大的沖擊和高過載時產生的慣性也小，所以具有較強的抗振動或沖擊的能力，但氣體運動控制較為復雜，影響因素比較多，因此精度不高。液擺式傾角傳感器介于兩者之間且系統(tǒng)穩(wěn)定，在高精度系統(tǒng)中廣泛應用，國內外的產品多為此類。

隨著微電子技術的發(fā)展、微機械加工工藝設備的完善及加工精度的提高，以單晶硅材料研制的各種微型角度傳感器產品相繼問世，它與傳統(tǒng)的機械式角度傳感器相比，具有體積小，質量輕，功耗低的特點。采用微機械加工工藝，易于實現(xiàn)批量生產，降低成本。

傾斜測量裝置用來測量相對水平面的傾角變化量，理論基礎是牛頓第二定律。目前MEMS傾斜測量裝置，以梳齒式敏感結構為主，可以提供單軸或雙軸向的傾斜角度測量。

發(fā)明內容

本發(fā)明的技術解決問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種基于三明治式角度敏感器的高精度雙軸傾斜測量裝置，通過合理的空間X\Y軸向布局，采用高精度的信號處理電路、高精度的加速度/角度線性化處理方法、以及高精度的角度信號補償方法，實現(xiàn)高精度雙軸傾斜角度測量。

本發(fā)明的技術方案是：一種基于三明治式角度敏感器的高精度雙軸傾斜測量裝置，包括雙軸傾角傳感器電路、電連接器和封裝殼體、供電模塊；所述雙軸傾角傳感器電路包括X軸MEMS角度敏感器、Y軸MEMS角度敏感器、調理電路、A/D轉換電路、單片機電路和串口；X軸MEMS角度敏感器、Y軸MEMS角度敏感器同時采集安裝位置的傾斜角度值，將采集的傾斜角度值信息發(fā)送至調理電路；調理電路調整接收的傾斜角度值信息的電壓值信號，將與A/D轉換電路匹配的電壓值信號傳輸至A/D轉換電路進行模數轉換，傳輸至單片機電路；單片機電路對A/D轉換電路輸入的數字信號進行線性化處理，并對線性化處理后的信號進行零位基準補償、溫度漂移補償、交叉耦合補償，通過串口輸出角度信號；雙軸傾角傳感器電路與電連接器連接，安裝在封裝殼體內；供電模塊給雙軸傾角傳感器電路供電。

所述單片機電路對A/D轉換電路輸入的數字信號進行線性化處理的具體步驟如下：

(1.1)將N個測量位置點的角度值數字量與0°位置處的角度值數字量做差，將差值歸一化處理后除以角度敏感器的標度因數，獲得每個測量位置處實際角度對應的角度敏感器輸出量；所述的N個測量位置點的角度值數字量指測量分度頭在測量范圍內均勻選取的N個測量位置點處的X軸MEMS角度敏感器、Y軸MEMS角度敏感器輸出值經過A/D轉換電路轉換后獲得的角度值數字量；所述的0°位置處的角度值數字量指測量分度頭在0°位置處的X軸MEMS角度敏感器、Y軸MEMS角度敏感器輸出值經過A/D轉換電路轉換后獲得的角度值數字量；

(1.2)根據α＝sin^-1(A_x)獲得傾斜角度值α，其中，A_x為步驟(1.1)中獲得的角度敏感器輸出量。