具有溫度補償及零位自校準的角速度傳感器設計

盧穎 盧耀文 霍利鋒

摘 要：設計了一種具有溫度補償和零位自動校準的角速度傳感器。通過MAX1452AAE對單軸陀螺進行溫度補償，由單片機進行A/D轉換和上電零位自動校準，并通過內部存儲的標定系數轉換成測量值，通過RS422接口輸出。試驗證明，經過校準后的傳感器輸出精度及零位穩定性均有了明顯的提高。

關鍵詞：溫度補償；零位校準；數據采集

引言

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）微機電系統是伴隨著半導體集成電路微細加工技術和超精密機械加工技術的發展而發展起來的，目前MEMS加工技術在傳感器領域應用很多。根據諧振器陀螺儀的原理，MEMS結構也可以做成角速度傳感器進行測試[1]。由于制作工藝等原因，目前MEMS陀螺的精度仍然比較低。但是在許多應用領域對測量精度要求高、工作溫度范圍寬、可靠性高等要求的滿足，故需對角速度傳感器應進行校準補償是提高其精度的一個重要手段[2]。

1 角速度傳感器簡介

1.1 產品特點

角速度傳感器是基于ADI公司的MEMS集成微機械系統的單軸陀螺。ADI公司研制了商用陀螺儀產品ADXRS401，它將敏感單元和檢測電路集成在一起，從而減少了噪聲信號對輸出的影響，同時也使芯片的體積和功耗大幅減小[3]，綜合考慮選用了ADXRS401。單軸陀螺測量范圍±50°/s，測量精度為≤1%，數字RS422形式輸出。

1.2 產品基本工作原理

角速度傳感器主要由MEMS單軸陀螺、電源電路、信號調理電路及數據采編模塊等組成，主要的工作原理見圖1所示。核心器件單軸陀螺是選擇AD公司的MEMS角速度傳感器型號為ADXRS401。后級接信號調理器MAX1452AAE進行放大調理，達到模擬輸出范圍為0V～5V，數據采編模塊對數據進行A/D轉換，編碼及發送，采用RS422協議形式送至后端設備。

MAX1452AAE信號調理芯片能夠對單軸陀螺模擬信號進行放大及溫度補償。

1.3 產品應用

角加速度傳感器，除應用于控制系統中，還大量地應用在測試方面：如導彈尾罩分離時的旋轉角度測量；飛機的機動性能測試，交通工具的啟動及剎車性能的測試[4]；在精密機械設備中，通過測量齒輪的角加速度來研究齒輪傳動裝置的傳動系統的平穩性。總之，角加速度傳感器在多種行業及領域中均有較為廣泛的應用前景。[4]

2 角速度傳感器的零位校準補償

2.1 硬件溫度補償

因為溫度的不同，會造成陀螺內部結構微小變形和檢測電路溫漂等因素，產生相應誤差。

溫漂是指傳感器的輸出隨著溫度變化產生的零偏，比例漂移是指刻度值比例偏差，并假設在特定區間內為線性變化[5]。本次設計選用了MAXIM公司的MAX1452AAE信號調理器能夠實現對零位溫度補償功能，MAX1452結構包含一個可編程傳感器激勵、一個16級可編程增益放大器（PGA）、一個768字節（6144位）內部EEPROM、四個16位DAC、一個通用的運算放大器以及一個內嵌的溫度傳感器。除偏移量和跨度補償外，MAX1452AAE還利用偏移量的溫度系數（TC）和跨度溫度系數（FSOTC）提供獨特的溫度補償，補償原理見圖2所示。根據試驗測量得到溫漂曲線，通過1452軟件對溫度范圍內各點進行補償校準，校準軟件人機界面見圖3所示，根據一定算法可得出對應的補償曲線，最終擬合可得到理想的輸出曲線，零位輸出可得到明顯校準。

2.2 角速度傳感器零位校準

軟件編寫程序流程圖見圖4所示。系統軟件由初始化程序、零位修正、數據采集發送及參數設置組成。由于MEMS的加工工藝特點，固有存在的零漂重復性差的問題，在硬件方面無法有效的提供補償，介于產品是數字輸出，可以在軟件程序中進行零位修正功能。

在產品靜止狀態上電后10s期間進行零位修正功能，對連續采集8次的數據進行累加求和，取平均值后與零位數據相比較得出零位漂移值，在發送時將采集到數據減去零位漂移值即可得到校準后數據。在軟件中程序中采用了過采樣實現了數字平滑濾波功能，有效的較低了輸出噪聲。

2.3 數據轉換

角速度傳感器數據輸出為串口信號，串口輸出RS422協議為：波特率為115200bps，1位起始位，8位數據位，1位停止位，共10位；高字節在前，低字節在后。一幀數據包括7個字節，幀格式見表1所示。

采用單片機內部A/D轉換器。轉換電路將模擬電路的0V～5V，零位為2.5V，經過A/D對應轉換為數字量0～255，經過數據處理得到一個帶符號的數據，此數據乘以標定系數得到最終輸出物理量，數碼轉換流程見圖5所示。

3 角速度傳感器上位機系統實現

根據角速度傳感器的精度要求，設計了上位機數據處理軟件，便于在產品調試、試驗中的數據記錄、處理。數據處理軟件完成數據的回收、實時顯示、線性方程擬合及數據繪圖等功能，在調試、試驗中能夠及時發現產品的問題，制定解決方案。具體界面見圖6所示。

4 試驗結果及分析

角速度傳感器放置在0°/s靜止狀態下，未進行零位校準的產品與校準后的產品輸出情況見表2所示。從輸出圖像中明顯看出未校準的產品X軸的零位輸出已經偏移到-3.5°/s，超出了≤1%的精度要求，Y軸與Z軸均在精度范圍內，產品的一致性比較差。同樣的產品經過零位校準處理后，將X軸的零位偏移校準到精度要求范圍內，保持了三軸向的輸出一致，校準效果明顯。

角速度傳感器在經過零位校準及溫度補償后，在三軸轉臺進行滿量程±50°/s的標定，其中一軸向的標定數據見圖7所示。

5 結束語

MEMS傳感器的各方面特性表明其技術發展在諸多領域得到廣泛的應用，是否能夠抑制其不穩定性誤差，對測量的精度起到至關重要的意義。通過校準補償前后驗證試驗的對比，角速度傳感器在靜態情況下的原始輸出值在精度上有所提高，可以看出，應用此方法對誤差的補償取得了較好的結果。從工程實用的角度設計出更方便上位機操作軟件，使整個校準試驗流程能夠更快捷的完成。

參考文獻

[1]李明.MEMS慣性傳感器在控制系統中的應用研究[J].電子設計工程，2013（21）：76.

[2]田文超.微機電系統（MEMS）原理、設計和分析[M].西安：西安電子科技大學出版社，2009.

[3]李志信，羅小兵，過曾元.MEMS技術的現狀與未來趨勢[J].傳感器技術，2001，20（9）：20～21

[4]于波.角加速度傳感器的研究與應用.北京航空航天大學出版社，1983.

[5]李文成.基于兩軸角傳感器的機動測控裝備自動調平系統[J].現代電子技術，2010（33）：159.

作者簡介：盧穎（1983-），女，山西太原人，中北大學在職研究生。研究方向：電子信息技術應用。