MEMS加速度傳感器的自動校準(zhǔn)平臺

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現(xiàn)代測控系統(tǒng)在正常工作時(shí)往往需要一個(gè)基準(zhǔn)平臺，在這樣的客觀需求下調(diào)平技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如起重機(jī)支架、鉆井平臺、火炮底座、衛(wèi)星天線基座、導(dǎo)彈發(fā)射平臺等。傳統(tǒng)的手動調(diào)平方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響了平臺上設(shè)備機(jī)動性能的發(fā)揮。自動校準(zhǔn)平臺的研制彌補(bǔ)了手動方式的不足，并且在效率、精度、可靠性等方面都優(yōu)于手動校準(zhǔn)平臺。本文介紹了一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控平臺狀況并通過步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)的自動校準(zhǔn)平臺。

1 傾角測量原理
??? MXC62025G是美新(Memsic)公司推出的一款基于MEMS技術(shù)的雙軸加速度傳感器，集成了片上信號處理和I2C總線模塊，無需外接A／D轉(zhuǎn)換器便可以與微處理器通信。該傳感器可以同時(shí)測量恒定和變化的加速度，測量范圍為-2～+2 g，在25℃室溫、3 V工作電壓的條件下，其靈敏度可達(dá)512計(jì)數(shù)點(diǎn)／g。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，硅片中心有一個(gè)熱源，四周等間距地放置了4個(gè)熱電堆。當(dāng)硅片水平靜止時(shí)，熱源周圍的溫度梯度是均勻的，所以4個(gè)熱電堆的溫度相同，輸出電壓相同。當(dāng)硅片傾斜或在某一方向上有加速度時(shí)，熱源周圍的溫度梯度發(fā)生擾動，因而輸出電壓發(fā)生變化。

??? 由于傳感器的輸出不能為負(fù)，因而需要減去一個(gè)偏移量來區(qū)分正負(fù)，此處取輸出值的中值，即最大值與最小值之和的一半。另外，傳感器的輸出是加載在兩個(gè)測量軸上的重力加速度的分量，要輸出傾角值還需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。假設(shè)X軸向的傾角為α，Y軸向的傾角為β，則輸出值與傾角大小存在以下關(guān)系：
????
??? 即
????
??? 當(dāng)傾角較小時(shí)，軸向加速度與傾角之間近似為線性關(guān)系，故有：，K值選取與傾角誤差之間的關(guān)系如表1所列。

??? 不難看出，測量范圍與測量精度是一對矛盾。為了提高系統(tǒng)的精度，應(yīng)當(dāng)盡量減小平臺調(diào)節(jié)的幅度，所以自動校準(zhǔn)平臺應(yīng)當(dāng)先大致擺放到水平位置再按啟動開關(guān)。

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2 平臺調(diào)平原理
??? 目前工程上4支點(diǎn)或更多支點(diǎn)的調(diào)平系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，這主要是從穩(wěn)定性角度考慮的，但超過3根支腳后必然要面臨超定位的問題。由于虛腿的出現(xiàn)，平臺上的設(shè)備工作時(shí)不能保證每根支腳上的受力具有重復(fù)性，從而導(dǎo)致支架形變，影響調(diào)平精度。而在3點(diǎn)調(diào)平結(jié)構(gòu)中，各支腳受力均勻，只要支腳設(shè)計(jì)得當(dāng)就可以保證較高的穩(wěn)定性，調(diào)平控制模型如圖2所示。

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??? 圖中的3個(gè)頂點(diǎn)O、A、B分別代表3個(gè)支撐軸，為了使基座能夠適用于不同的環(huán)境，設(shè)定支腳O的高度為手動可調(diào)。傳感器在安裝時(shí)需保證其X軸與OA邊平行，Y軸與OA上的高BH平行。當(dāng)固定了O點(diǎn)的高度后，調(diào)節(jié)A、B兩處，使平臺達(dá)到水平。為了便于實(shí)驗(yàn)，將模型進(jìn)一步理想化，使點(diǎn)H與O重合。平臺調(diào)平的實(shí)質(zhì)是將兩條相交的直線分別調(diào)到水平。
??? 假設(shè)平臺為剛性結(jié)構(gòu)，加速度傳感器的精度為常數(shù)，且在X與Y兩個(gè)方向上的傾角分別為α和β，兩軸之間的夾角為θ，則整個(gè)平臺的水平度γ可表示為：
????
??? 根據(jù)上面的公式，只有當(dāng)兩軸的夾角為90°時(shí)，系統(tǒng)在調(diào)平過程中才沒有耦合，水平度θ才有最小值。
??? 若兩軸上的控制精度為±δ，則系統(tǒng)調(diào)平的水平誤差。由于選擇的是雙軸加速度傳感器，它的兩個(gè)測量軸相互垂直，即θ=90°，故水平調(diào)節(jié)誤差。即如果整個(gè)平臺的水平度要求為0．1°，則X軸、Y軸上的控制精度就是。