石英撓性加速度計在角度檢測中的應用

黃 振，張春生，黃 偉，趙 毅，王曉東

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

石英撓性加速度計在角度檢測中的應用

黃 振，張春生，黃 偉，趙 毅，王曉東

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

隨著科學技術的進步，角度檢測在現代工業體系中占有重要地位?，F有角度檢測設備因其測量范圍、測量精度和功耗等局限，而逐漸不能滿足測量要求。采用石英撓性加速度計傳感器、AD7734與ARM MCU組合而成的一種新型傾角測量儀，通過對石英撓性加速度計的電流信號進行調理和AD采集，以及對采集的數據進行濾波處理，解算出傾角，通過標準RS485通信接口將數據傳輸到PC機上顯示。實驗表明：在0°～30°角度測量范圍內，該系統傾角測量精度可以達到±0.01°，具有很好的工作穩定性。同時，該傾角測量儀具有體積小、精度高、重量輕、功耗低等優點，可廣泛應用到橋梁架設、國防軍事、地質勘探、土木工程、石油鉆井、航空航天、航海、精密加工等領域。

石英撓性加速度計；角度檢測；傾角測量儀；ARM MCU；RS485通信接口

0　引言

角度測量是幾何量測量技術的重要組成之一，廣泛應用于工業、軍事、通信、航海、航天以及航空等各種領域，對我國經濟建設、國防建設以及科學技術研究起至關重要的作用［1］。但隨著測量要求的不斷提高，在很多應用現場，現有的角度測量儀器由于其測量范圍、使用范圍、精度、功耗以及體積等方面的原因，已漸漸無法滿足測量要求。石英撓性加速度計具有啟動快、功耗低、可靠性高、精度高、易于實現數字化和智能化等優點，可以應用于各種傾斜角度檢測系統中。

本文設計的傾斜角度測量儀采用了石英撓性加速度計MQA-1、AD7734、ARM STM32F103、溫度控制電路以及RS485通信線組成的硬件結構，同時通過上位機軟件對該傾角測量儀進行數據采集和補償。

1　角度測量原理

石英撓性加速度計傾角測量儀是基于重力加速度原理。重力加速度g的方向始終垂直向下，如果空間水平方向與重力加速度g方向垂直，則重力加速度在水平方向上的投影為0；如果空間水平方向與重力加速度g方向不垂直，即與重力加速度方向有夾角，那么重力加速度在這個空間平面上的投影不為0［1-5］。

通過石英撓性加速度計傳感器感應軸上的重力加速度，經過計算可以轉換得到設備傾斜角度，其測量原理示意圖如圖1所示。傳感器輸出與重力加速度g有以下關系:

式中，Ax是石英撓性加速度計輸出的加速度信息，g是以重力為參考的加速度值，α是傳感器傾斜角度，也即是設備傾斜角度。

圖1　加速度傳感器角度測量原理圖Fig.1 Diagram of angle measurement principle of accelerometer sensor

由此可以解算出角度值信息:

因此，在加速度原理的基礎上實現了角度信息的測量，它以重力為輸入矢量來決定物體在空間的狀態，進而反應出物體的角度。把石英撓性加速計固定在物體的表面，當物體角度改變時，石英撓性加速度計的敏感軸也隨之轉動一定角度，由于重力的作用，石英撓性加速度計敏感軸上的加速度會發生改變，因此可以根據石英撓性加速度計輸出信息的變化來反應物體的角度偏轉。

2　系統硬件設計

該石英撓性加速度計傾角測量儀硬件系統包括MQA-1石英撓性加速度計、調理電路、AD采集電路、STM32F103及其外圍電路、數據通信電路以及溫控電路等，其硬件系統框圖如圖2所示。

圖2　硬件系統框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

文中采用的MQA-1石英撓性加速度計為單軸加速度傳感器，輸出為電流信號，±15V供電，量程是±40g，標定因數K1為（1±0.15）mA/g。在調理電路前端加入2K采樣電阻，將石英撓性加速度計輸出的電流信號轉化為電壓信號，再經過調理電路中的濾波電路，發送給AD7734。則AD采集到的電壓輸入范圍為±2V左右。

為了保證整個系統的測量精度，使用的AD7734具有24-bit高分辨率，輸入電壓范圍可以設置為+5V、±5V、+10V、±10V，供電電壓為5V，采用SPI通信，可以同時采集4路信號。本文所提到的石英撓性傾角測量系統僅需要同時采集2路石英撓性加速度計的輸出信號。因為采集到的電壓范圍為±2V左右，故在程序AD初始化中，將AD的采樣輸入電壓范圍設置為±5V。

STM32F103內核是32-bit Cortex-M3處理器，最大時鐘頻率可以達到72MHz，擁有足夠的外設資源，包括2個16-bit看門狗定時器、2個12-bit 的10通道A/D轉換模塊、電壓比較器、電壓基準輸出、定時器、2個SPI，2個I2C以及3個串行通信模塊等。該系統采用FLASH ROM技術，集成JTAG，支持在線編程。該芯片價格低、功耗低、外設資源足夠、處理速度快。

為了保證石英撓性加速度傾角測量儀的長期穩定性，同時設置了溫控電路，使得石英撓性加速度計的本體空間溫度控制在55℃±0.5℃。溫控電路采用電橋平衡原理，熱敏電阻貼于本體內部。

3　系統軟件設計

程序設計包括SPI通信、數據處理、串口通信等。系統上電后，首先對STM32F103的各個資源進行配置，包括時鐘配置、中斷配置、IO配置、串口配置、SPI配置等，然后通過 SPI總線對AD7734進行初始化，再進行數據采集處理。同時硬件資源檢測是否有串口接收中斷發生，該中斷在串口中斷服務子程序中實現，其軟件系統流程圖如圖3所示。其中，圖3（a）是主程序流程圖，圖3（b）是串口中斷服務子程序流程圖。

AD7734與STM32F103之間的通信采用SPI通信。在主程序中，對AD進行初始化。首先，對AD進行復位，然后設置AD的參數，最后配置AD電壓采集范圍、采樣速率以及轉換模式。AD的片選引腳由STM32F103的PB11控制，通過對PB11引腳寫 ‘0’或 ‘1’，來控制AD7734的啟動或關閉。在主程序循環中，判斷AD7734的引腳RDY的電平，當該引腳電平為 ‘0’時，微處理器通過SPI總線發送指令，讀取AD7734對應通道寄存器的數據，SPI通信圖如圖4所示。AD7734采集到的數據是 24-bit，對應數據寄存器中的數據是8-bit，微處理器通過 SPI通信獲得的數據先是MSB，后是LSB，通過以下方法可以合并為24位輸出值:

axrate=（axbyte［0］＜＜16）+（axbyte［1］＜＜8）+axbyte［2］；

ayrate=（aybyte［0］＜＜16）+（aybyte［1］＜＜8）+aybyte［2］；

計算出來的角度值存放在程序中某個變量里，當有上位機指令到來，則進入串口中斷服務子程序中，將該變量的值通過串口發送出去。串口采用RS485標準，實現STM32F103與PC之間的通信。采用Labview編寫上位機程序，顯示PC機接收到的數據并以txt文件保存在PC機中，有利于數據的進一步分析和處理［3］。

圖3　軟件系統流程圖Fig.3 The flow chart of the software system

4　抗干擾設計

石英撓性加速度計敏感性高，容易受到外界的干擾，系統輸出噪聲隨著測量帶寬的改變而改變［3-4］。通過濾波電路處理，降低系統帶寬，可以有效減小系統輸出噪聲，提高整個系統的信噪比。為了保證該系統的靈敏度和精度，需要對系統進行干擾設計。

圖4　SPI通信圖Fig.4 SPI communication diagram

4.1硬件抗干擾

信號調理電路中，采用二階濾波電路，降低系統輸入信號的帶寬，減少信號噪聲，提高信噪比。

同時，為了防止電源引入外界干擾，需要對電源噪聲進行抑制。在電源上并接0.1μF濾波電容。在印制板上，電容的擺放位置盡可能地靠近芯片電源引腳，并且引線長度要盡可能短。將模擬地與數字地分開，中間采用0Ω電阻連接，避免數字地對模擬信號的干擾。

4.2軟件抗干擾

通過軟件濾波可以更有效地降低信號干擾，提高數據的準確性。軟件設計中主要采用兩種濾波思想。

一種是FIR濾波器思想。該濾波器具有性能穩定、快速響應、設計靈活等特點。同時，由于該濾波器單位沖擊響應是有限長的，因而可用快速傅里葉變換（FFT）來實現濾波信號，可大大提高運算效率，很好地應用到該傾斜測量儀軟件系統中。FIR濾波器用當前和過去輸入樣值的加權和來形成它的輸出:

在程序中，l的取值為51，h（i）的參數根據大量的原始數據，在MATLAB中計算得出。

另外一種是均值濾波，先接收100個數據，再保留它們的算數平均值，可以較好地抑制隨機噪聲。

5　數據分析

測試過程中，采用四點翻滾法則測試該系統的偏值K0和標度因數K1。分別測試該石英撓性傾角測量儀在0°、90°、180°、270°位置時的初始電壓值，再根據這些電壓值計算出該傾角測量儀的參數，將計算出來的參數加入到角度解算公式中。

測試過程中，該傾角測量儀處于0g狀態，測試結果曲線圖如圖5所示。

根據要求，在轉臺上測得0°～30°范圍內的角度信息，經過程序中對測量系統的補償后，得到的傾角測量結果如表1所示。

圖5　0g狀態測試結果曲線圖Fig.5 Curve of the test results in 0g state

表1　傾角測量結果Table 1 Result of title angle measurement

由圖5可以看到，在0g狀態下，石英撓性加速度計傾角測量儀的角度輸出變化在0.002°以內，數據比較穩定。而由表1可以看出，在0°～30°范圍內，測得的角度精度在±0.01°以內，具有很高的精度。

6　結論

本文設計的石英撓性加速度計傾角測量儀具有體積小、重量輕、精度高、功耗低、響應速度快等優點，在0°～30°角度測量范圍內，其長期測量精度可以達到±0.01°，適用于精度要求高的場合。

未來，該系統可以應用到橋梁架設、國防軍事、地質勘探、土木工程、石油鉆井［6］、航空航天、航海、精密加工等領域。

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Application of Quartz Flexibility Accelerometer in Angle Measuring

HUANG Zhen，ZHANG Chun-sheng，HUANG Wei，ZHAO Yi，WANG Xiao-dong
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

With the development of science technology，angle measuring becomes more and more important in the modern industry system.And the existing angle measuring instruments can't meet the requirement of measuring，because of its disadvantage in measurement range，measurement accuracy and the power consumption.A new type tilt angle measuring instrument is designed，and combined with quartz flexibility accelerometer，AD7734 and ARM MCU.By conditioning and AD acquisition for quartz flexibility accelerometer output current signal and filtering the AD data，MCU calculates inclination value and inclination value can be displayed by PC via standard RS485 communication interface.The experiment shows that the angle measurement precision can reach±0.01°and it has good stability in the angle measurement range from 0°to 30°.Otherwise，the angle measurement instrument features small size，high precision，light weight，low power consumption and can be widely used in bridges，military affairs and national defense，geological exploration，civil engineering，oil artesian well，aviation and aerospace，seafaring and exact machining and so on.

quartz flexibility accelerometer；angle measuring；tilt angle measurement instrument；ARM MCU；RS485 communication interface

V19

A

1674-5558（2016）05-01096

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.03.019

2015-03-31

黃振，男，計算機應用技術專業，碩士，研究方向為電流頻率轉換電路設計、智能儀器檢測與控制。