[发明专利]一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置

说明书

一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，包括双轴倾角传感器电路、电连接器和封装壳体；双轴倾角传感器电路包括X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器、调理电路、A/D转换电路、单片机电路、串口电路，MEMS角度敏感器敏感到安装载体倾斜角度的变化，后经调理电路、A/D转换电路、单片机电路、串口输出与倾斜角度成比例的数字量连续信号；电连接器焊接在双轴倾角传感器电路上并安装在金属封装壳体上形成电气接口；封装壳体将双轴倾角传感器电路和电连接器封装在一起，并通过安装法兰形成机械接口。本发明可广泛应用于无人机、舰载设备、卫星通讯、工程机械、铁塔智能监测、太阳能追踪系统等平台的倾斜角度测量。

技术领域

本发明涉及一种基于“三明治”式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，属于微机械领域和测量领域。

背景技术

倾斜测量装置主要用于安装载体倾斜角度的测量，按工作原理可以分为固摆式、气摆式和液摆式三种。固摆式倾角传感器敏感物质是摆锤的质量，由于具有明确的摆长和摆心，其产品的精度和抗过载能力较高，但体积大，因此使用受到一定限制。气摆式倾角传感器内，气体是密封腔中唯一运动体，它的质量小，在大的冲击和高过载时产生的惯性也小，所以具有较强的抗振动或冲击的能力，但气体运动控制较为复杂，影响因素比较多，因此精度不高。液摆式倾角传感器介于两者之间且系统稳定，在高精度系统中广泛应用，国内外的产品多为此类。

随着微电子技术的发展、微机械加工工艺设备的完善及加工精度的提高，以单晶硅材料研制的各种微型角度传感器产品相继问世，它与传统的机械式角度传感器相比，具有体积小，质量轻，功耗低的特点。采用微机械加工工艺，易于实现批量生产，降低成本。

倾斜测量装置用来测量相对水平面的倾角变化量，理论基础是牛顿第二定律。目前MEMS倾斜测量装置，以梳齿式敏感结构为主，可以提供单轴或双轴向的倾斜角度测量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，通过合理的空间X\Y轴向布局，采用高精度的信号处理电路、高精度的加速度/角度线性化处理方法、以及高精度的角度信号补偿方法，实现高精度双轴倾斜角度测量。

本发明的技术方案是：一种基于三明治式角度敏感器的高精度双轴倾斜测量装置，包括双轴倾角传感器电路、电连接器和封装壳体、供电模块；所述双轴倾角传感器电路包括X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器、调理电路、A/D转换电路、单片机电路和串口；X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器同时采集安装位置的倾斜角度值，将采集的倾斜角度值信息发送至调理电路；调理电路调整接收的倾斜角度值信息的电压值信号，将与A/D转换电路匹配的电压值信号传输至A/D转换电路进行模数转换，传输至单片机电路；单片机电路对A/D转换电路输入的数字信号进行线性化处理，并对线性化处理后的信号进行零位基准补偿、温度漂移补偿、交叉耦合补偿，通过串口输出角度信号；双轴倾角传感器电路与电连接器连接，安装在封装壳体内；供电模块给双轴倾角传感器电路供电。

所述单片机电路对A/D转换电路输入的数字信号进行线性化处理的具体步骤如下：

(1.1)将N个测量位置点的角度值数字量与0°位置处的角度值数字量做差，将差值归一化处理后除以角度敏感器的标度因数，获得每个测量位置处实际角度对应的角度敏感器输出量；所述的N个测量位置点的角度值数字量指测量分度头在测量范围内均匀选取的N个测量位置点处的X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器输出值经过A/D转换电路转换后获得的角度值数字量；所述的0°位置处的角度值数字量指测量分度头在0°位置处的X轴MEMS角度敏感器、Y轴MEMS角度敏感器输出值经过A/D转换电路转换后获得的角度值数字量；

(1.2)根据α＝sin^-1(A_x)获得倾斜角度值α，其中，A_x为步骤(1.1)中获得的角度敏感器输出量。