基于MEMS的雙軸高精度測斜儀設計

程遠超，黃 偉，張燕琴，仇 斌

（北京航天控制儀器研究所，北京，100039）

0 引 言

角度測量廣泛應用于民用、航空航天及航海等各種領域，對中國國防建設以及科學技術研究起至關重要的作用[1～5]。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，已漸漸無法滿足測量要求。MEMS高精度角度傳感器SCA103T以其啟動快、功耗低、可靠性高、精度高、易于實現數字化和智能化而應用于各種傾斜角度檢測系統中[6～8]。

本文設計的測斜儀采用了高精度傾角傳感器SCA103T、AD7734、ARM STM32F103以及RS232通信線組成硬件結構，經軟件補償精度達到±0.005°，同時通過上位機軟件對該傾角測量儀進行數據采集。

1 測斜儀工作原理

采用2個VTI高精度單軸MEMS傾角傳感器芯片SCA103T-05D，傳感器有兩個模擬輸出差分信號和一個數字 SPI接口以提供直接信號處理。其中信號差分帶來非常顯著的優點：高校準精度，低溫度漂移，高分辨率、高靈敏度及低噪聲。通過傾角傳感器SCA103T感應軸上的重力加速度輸出的兩個差分信號，經過計算可以轉換得到被測設備的傾斜角度，其測量原理如圖1所示。

圖1 SCA103T傾角傳感器角度測量原理Fig.1 Diagram of Angle Measurement Principle of Inclinometer Sensor SCA103T

傳感器輸出與傾斜角度α有以下關系：

式中 α為傳感器傾斜角度，即被測傾斜角度； Vout1、Vout2為傳感器輸出的差分電壓大小；Voffset為傳感器的零偏； k1為傾角傳感器SCA103T標度因數：16 V/g。

由以上電壓和角度對應關系實現了角度信息的測量，它是以重力為輸入矢量在空間的狀態為基準，進而反應出被測設備的角度。把測斜儀固定在設備的表面，當設備沿某一軸有角度改變時，測斜儀的敏感軸也隨之轉動一定角度，由于重力的作用，測斜儀對應該敏感軸上的加速度會發生改變，進而輸出的差分電壓也會發生變化，因此可以根據MEMS傾角傳感器輸出信息的變化來反映被測設備或物體的角度偏轉。

2 硬件實現

該高精度雙軸測斜儀硬件系統由SCA103T-05D及外圍電路、濾波電路、AD采集電路、STM32F103及其外圍電路、數據通信電路等組成。其硬件系統框圖見圖2。

圖2 電路系統Fig.2 Block Diagram of Circuit System

該雙軸測斜儀采用+12 V供電，通過LDO將12 V轉化成5 V、3.3 V、2.5 V等各模塊所需的電壓值；MEMS傳感器的測量角度為±30°，當傳感器在相應敏感軸方向有角度變化時，輸出的差分電壓會對應變化，再經過調理電路中的濾波電路，送給ADC，ADC采集到的電壓輸入范圍為 0～5 V，處理器再通過控制ADC進行相應角度解算。

為了保證整個系統的測量精度，A/D使用AD公司的AD7734。該A/D具有24-bit高分辨率，輸入電壓范圍可以設置為+5 V、±5 V、+10 V、±10 V，供電電壓為5 V，采用SPI通信，可以同時采集4路信號，已成功用于多個工程項目，技術比較成熟。本文所提到的高精度雙軸測斜儀系統僅需要同時采集兩只傾角傳感器的差分輸出信號。因采集到的電壓范圍為0～5 V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+5 V。

STM32F103內核是32-bit Cortex-M3處理器，最大時鐘頻率可以達到72 MHz，擁有足夠的外設資源，包括2個16-bit看門狗定時器、定時器、2個SPI，2個I2C以及3個串行通信模塊等，芯片價格低、功耗低、外設資源足夠、處理速度快，滿足使用要求。

3 軟件實現

3.1 程序流程

程序設計包括 SPI通信、數據處理、串口通信、定時等。測斜儀加電后自動開始工作，首先STM32F103對使用到的各個片上資源及外部被控制器件進行配置，然后主函數不斷循環采集、濾波、計算、補償、濾波，直到定時中斷發生，該中斷在串口中斷服務子程序中實現，中斷完成后再返回主函數，不斷循環采集處理、中斷、發送，其軟件系統流程如圖3所示。

圖3 軟件系統流程Fig.3 The Flow Chart of the Software System

3.2 角度精度補償

利用標定裝置對該測斜儀進行初步測試后，將采集到的數據進行擬合，設計中采用的是六階分段式多項式擬合，根據擬合系數將角度進行補償，從而達到預期精度的輸出。

設采集角度為),,,(…210=iXi，對應欲補償的理想輸出角度為),,,(…210=iYi，其中，X0為測斜儀的零位輸出。由于零位對輸出有影響，故將每次采集的角度扣除掉零位，可得采集的有效角度為

則，比例系數Ki為

通過已知數據可以擬合出補償多項式，記為f ( Xi1)，則輸出角度 Yi1為

上述即為該測斜儀角度補償方法。

3.3 上位機采集

圖 4為上位機數據采集軟件示意。設計中STM32F103通過RS232串口每隔0.5 s發送一次角度數據，采集軟件只需要接收角度數據，采用LABVIEW編寫上位機軟件，設置相應波特率及串口號，可以實時顯示測斜儀發送的X、Y軸角度值，方便數據采集和測試測斜儀性能。

圖4 上位機數據采集Fig.4 The Data Acquisition of Upper Computer

4 數據分析

測試過程中，采用逐點間隔1°測試該測斜儀輸出的方式，分別測試該MEMS傾角測斜儀在0～30°位置對應輸出的角度值，測試設備采用 JST-200數字雙軸轉臺，有效分辨率為1″，置于大理石平板上進行數據標定。通過測試結果表明X、Y兩軸測試結果相差不大，均達到預期要求。

4.1 補償前精度分析

對沒有補償的測斜儀進行測量，測量結果如圖 5所示。

圖5 補償前角度與輸入角度之差Fig.5 Subscription of Input and Output Without Compensation

由數據及圖5可知，補償前在滿量程情況下測斜儀角度輸出最大誤差超過1°，且輸出角度越大，誤差也越大，滿足不了實際應用需求。

4.2 補償后精度分析

對補償前數據進行分析擬合，可以得出相應的滿足輸出要求的六階補償系數，通過角度補償后的測試數據如圖6所示。

圖6 補償后角度與輸入角度之差Fig.6 Subscription of Input and Output with Compensation

由圖5、圖6可知，經過數據補償，0～±30 °范圍內測斜儀的輸出精度優于0.005 °。

4.3 0°時2 h穩定性分析

將測斜儀置于0 °，進行2 h穩定性測試，外界溫度環境為（20±2）℃，預熱 15 min后，測試結果如圖7所示。

圖7 X、Y軸0°時2 h穩定性Fig.7 Two Hours Stability of the Two Axis at 0°

結果表明，在 0°時，兩軸的穩定性基本包絡在0.005 °內，達到了較好的穩定性。

4.4 重復性

對測斜儀的兩個軸進行重復性測試，外界溫度環境一致為（20±2）℃，保持測試狀態的一致性，共測試4組，由于數據曲線較多，而且測試結果表明X、Y均滿足精度±0.005 °水平，為便于觀察，只給出 X軸正、負方向的角度數據，測試數據結果如圖8所示。

圖8 輸出角度與輸入角度之差的重復性Fig.8 Repeatability of the Subscription of Input and Output

經過多次重復測量，結果表明測斜儀數據輸出穩定，一致性較好，達到±0.005 °的精度。

5 結 論

本文設計的高精度傾角測斜儀具有體積小、重量輕、精度高、功耗低、響應速度快等優點，在全量程0～±30 °測量范圍內，精度達到±0.005 °，2 h穩定測量精度達到±0.005 °，適應于精度要求高的場合。可以應用到民用領域及航空航天等國防軍事領域。