【摘要】：隨著我國工業(yè)技術的快速發(fā)展,航空航天、土木建筑、醫(yī)療設備等領域對傾斜角測量技術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上增大了傾斜角測量范圍;硬件設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。隨后通過分析系統(tǒng)的組成結構與測量模型,總結出了影響系統(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(-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量和所受到的力有一定的關系，利用重力場內對物體造成的力來轉化為對應電信號，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 技術和電子技術的飛速發(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術的傾角儀受到了全世界的關注[13-15]。近年來，國內出現(xiàn)了很多生產(chǎn)傾角儀的廠家，們生產(chǎn)的傾角儀在國內處于領先水平，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，內部用分辨率為 24 位的模數(shù)轉換芯片，并且配備強大的數(shù)字處理系統(tǒng)和誤差補償技術，軸測量范圍為 0～360°，精度達到 0.05°，全溫度范圍內零點偏差小于 0.05°。

國內外傾角儀系統(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量和所受到的力有一定的關系，利用重力場內對物體造成的力來轉化為對應電信號，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 技術和電子技術的飛速發(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術的傾角儀受到了全世界的關注[13-15]。近年來，國內出現(xiàn)了很多生產(chǎn)傾角儀的廠家，們生產(chǎn)的傾角儀在國內處于領先水平，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，內部用分辨率為 24 位的模數(shù)轉換芯片，并且配備強大的數(shù)字處理系統(tǒng)和誤差補償技術，軸測量范圍為 0～360°，精度達到 0.05°，全溫度范圍內零點偏差小于 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 技術對敏感單元輸出的電信號進大和模數(shù)轉換，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，全溫度范圍內零點誤差為±0.86°。

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本文編號：2805892