基于MEMS加速度传感器的数字水平仪

介绍了一种基于热对流式加速度传感器的二维高精度数字水平仪的设计方案。从数学模型入手,推导了倾角测量算法。采用硬件抑制、软件滤波的方法,最大限度地降低了外界干扰,解决了测量大角度时的零点漂移问题。研究结果表明：该仪器可以进行多种高精度的倾角测量。

2 011正

仪

表技术与传感器

2 011 No .1

第 1期

I sr m e t Te h q a d S n o n tu n c niue n e sr

基于 ME MS加速度传感器的数字水平仪于玮，维忠，封武建军 2 03 ) 10 7 (京林业大学信息科学技术学院，苏南京南江

摘要：绍了一种基于热对流式加速度传感器的二维高精度数字水平仪的设计方案。从数学模型入手，导了倾角测量算法。介推

采用硬件抑制、件滤波的方法，大限度地降低了外界干扰，软最解决了测量大角度时的零点漂移问题。研究结果表明：该仪器可以进行多种高精度的倾角测量。关键词： MS数字水平仪；控制器；干扰 ME;微抗

中图分类号： P 1 . T 22 9

文献标识码：A

文章编号：02—14 ( 0 1 0 02 0 10 8 12 1 ) 1— 0 4— 3

Diia n l o t r Ba e n M E S Ac ee a i n S n o gt lI ci me e s d o n M c lr t e s r o Y i E G We— o g WU J nj n U We,F N i h n, i - z a u

( o eeo fr t nS i c n eh oo y N nigF rsr nv ri, nig2 03, hn ) C H g fI omai c n ea dT cn l, aj oet U iesy Naj 10 7 C ia n o e g n y t n Ab ta t T i p p rd s rb d a d sg ou in o w— i n in la d h g— r cso ii li ci o trb s d o h r l sr c: h s a e e c e e in s lt f o d me so a n ih p e iin d gt n l mee a e n t e ma i o t a n a c lr mee . Sa t g f m t e t a d l tc lu ae h lo i m f n l a u e n .O tie i tree c o l e c ee o tr tr n r ma h mai lmo e,i ac lt d t e ag r h o ge me s r me t u sd n efr n e c u d b i o c t a m ii z d i he meho fs p e so b h r wa e a d fle n y s fwa e An i s l e h r

b e t tz r s d i ig n mie n t t d o u pr si n y a d r n t r g b o t r . i i d t o v d t e p o l m ha e o wa rf n t wh n lr e a g e r e s r d. Re ut h w h tte isr m e a e u e orv rou ih— r cso nge me s r m e . e ag n l swe e m a u e s lss o t a h n tu ntc n b s d f ai s hg p e ii n a l a u e nt

Ke r s M MS i t ci m t; U;a tjmm n ywo d: E;d i l n l o ee MC ga i n r n- ia i g 0引言

y轴上，与水平面的夹角分别为 O和口过 0点向水平面作垂且/ .线 O再过 0点向平面中的直线 A H, B作垂线，点为 C由几何交 .

水平仪作为现代工业不可缺少的检测工具，土木工程、在航空航海、工业控制等领域有着广泛应用…。传统的气泡水平仪误差较大，对于小角度精确测量更是无能为力。数字水平仪以其方便、快捷、精度高等特点在该领域受到越来越多的关注。设计响应速度更快、干扰能力更强、抗精度更高的数字水平仪就成为该领域的发展方向。文中介绍了基于 ME MS技术的小

关系知，感器所在的平面 O B与水平面的夹角就是传 A / OCH[ 一。

型高精度数字水平仪。 1倾角测量原理

M C 2 2 G是低功耗、 X 6 05双轴加速度传感器芯片，以在可轴和 y轴 2个自由度上测量恒定或者变化的加速度。其内部加速度传感器部分采用热对流技术，构如图 1示，方形结所正硅片的中间有一个热源，四周等间距放置 4个热电偶。当硅片水平放置时，由于四周关于热源的温度梯度是均匀的，以 4所个热电偶的温度相同，出电压相同。反之，硅片倾斜时，输当四周关于热源的温度梯度不均匀，因而输出电压不同。图 2倾角测量的毅字模型

设 D H=,H=, C O

因为 O A上O所以 B,

A B=

n if nl一，s c￣+ s 2 h/i 2

S1 si si n S l叫

h =

碉

所以， y=a s、 r i cn

即，只要得到 2个轴向倾角值就能求出平面真实倾角。图 1加速度传感器内部结构

2仪器设计 2 1硬件电路设计 .

倾角测量原理如图 2所示。线段 D A和 O B分别在轴和收稿日期：0 0— 5— 5 2 1 0 0

MX 6 05 C 2 2 G采用 I C接口，程±2g在 2℃、 V的条量， 5 3 件下 .灵敏度为 52计数点/ .硬件连接如图 3所示 .其 1 g其 8脚