基于MEMS加速度传感器的位移测量系统

基于MEMS加速度传感器的位移测量系统

褚福彬

中国电子科技集团公司第四十九研究所 黑龙江省哈尔滨市 150028

摘要：直线滑轨试验台试验结果表明，位移测量系统体积小、可靠性高、精度高，而且能准确反映运动载体直线运动状态，在引信定距、车载导航、飞机器惯导、智能电子产品等领域具有广阔的应用前景。

关键词：MEMS加速度传感器；加速度积分；位移测量系统

随着MEMS技术的不断发展，MEMS传感器因其高性能、高稳定性、低功耗、体积小等优点，被广泛应用于运动载体姿态测量。位移测量一般采用雷达测试、光学测试、高速摄影等，随着这些技术的发展，测量精度相对较高，是一种有效的位移测量方法。然而，对外界工作环境的依赖限制了系统的适应性及智能化水平。由于加速度是一个易于测量的物理量，利用加速度信号解算位移一直是研究的热点。

一、MEMS加速度传感器

MEMS加速度传感器一般由质量块、弹性构件和敏感元件组成，采用最先进的微电子技术及硅微细加工技术制成芯片级尺度的微传感器。

以最典型的MEMS双轴加速度传感器关键元件为传感轴，其传感器原理为：MEMS双轴加速度传感器的关键元件为传感轴，传感轴由两个结构相同、空间位置互为正交的悬臂梁式力敏传感器组成，力敏传感器由应变梁、电阻式应变片、质量块、传感器支架组成，每个应变梁粘贴有四个电阻式应变片，在电气上构成一个惠斯通电桥。

二、系统算法设计

系统算法设计基于位移测量控制原理，并针对积分解算误差加入加速度修正算法。

1、测量误差分析：在工程实践中，加速度信号包含环境中各种干扰信号，直接时域积分将产生严重的趋势项误差，趋势项误差来自干扰信号的加速度采集中产生的直流误差项，因此，实际测得的加速度应为

通过时域一次积分获得的速度信号及两次积分得到的位移信号分别为

采用多项式拟合趋势项方法去除积分中产生的一、二次误差，提高位移测量精度。

2、加速度修正算法设计

①多项式拟合算法：根据测量的加速度信号，使用梯形公式通过数值积分获得速度、位移信号：

假设有一个多项式ym(t)来最小化间的差值平方和，并使用最小二乘法拟合趋势项误差：

ym(t)＝

式中：m为最高次项系数；Pk是多项式系数；是最高次项不超过m的多项式集合。

从而得出如下方程式:

只要找到一组系数Pk并使函数取得最小值，就能确定积分趋势项。

②加速度修正算法：加速度传感器在使用中不可避免地会受到温度影响，存在零点偏移，使用具有非线性特性的加速度值修正算法来统一温度误差补偿及零点漂移补偿到中，即

式中：为加速度理想与实际输出值。

三、系统硬件设计

测量系统采用集成化设计，分为三部分：电源模块、测量模块和存储模块。

测量模块使用MXC400xXC热对流三轴加度传感器精确获取运动载体的加速度信号，测量值通过IIC接口作为数字量输出。为增加所获得的实验数据，在电路板上下两面中心分别安装一个加速度传感器，用于比较分析及数据验证。测量系统选用TMS320D28027芯片作为处理器，该系列DSP芯片采用先进的哈佛结构，即存储线及指令线并行，在数字信号处理方面具有独特优势，配备专用数字信号处理算法指令，运算速度快，结果更准确。

测量模块采用3V干电池供电，可满足要求。为充分减小系统体积，设计一种高性能锂离子电池，其总存储容量为55mA·h，额定电压为3.7～4.2V，经接入电路板测试，当放电电流约为100mA时，3.7V以上电压的工作时间约为50s，满足相关供电需求。

存储模块采用FM25V20A铁电存储器，是一种低功耗、高性能的非易失存储器，当无电源时，存储的数据不会丢失，数据能长期保存，并且随用随取，实验结束后，数据将被传输到计算机进行数据分析及处理。

存储模块用于线下数据观察、分析处理，在实际应用中，可去掉存储模块，并由测量板上DSP直接输出位移结果。

四、定距实验

1、实验装置：为验证位移测量系统综合性能及定距精度，设计了直线滑轨定距实验。轨道长4m，以等间距设置螺纹孔，用于滑轨调平。滑块和轨道通过滚珠彼此接触，滑块沿与滑道垂直方向卡紧，以减少它们之间的摩擦，确保左右滑动的稳定性。

2、实验方案：为详细分析试验数据并监控试验中的数据，本实验采用存储测试技术进行直线滑轨定距实验，即使用存储测试技术存储滑块滑动中的有效数据，并对数据进行线下处理分析。

将位移测量系统固定在滑块上，以确保加速度传感器的X轴与前进方向平行。将滑块放置在滑道一端，并在另一端设置挡板，用人力手拉滑块，分别以2m、4m定距滑动，滑块撞击挡板后，等待单次18s采集周期结束，然后取下存储板读取数据，通过线下对数据的积分处理，利用加速度实现位移解算，观察实际测量精度。

3、实验过程：先使用激光笔调平直线滑轨，然后使用清零程序将存储板上所有数据清0，连接测量系统，并根据方案设计将其固定在滑块上。将滑块滑动到位后，打开电源开关，看到LED指示灯亮起，表明电路开始正常工作，滑块静止约7s后开始拉动。拉动时，用力要猛，防止滑块后退或起步困难等现象，滑动后，试着以平滑速度向前运动滑块，直到撞到滑道末端挡板。此时，电源未立即关闭，等测量LED指示灯熄灭，这意味着在单次测量周期结束后电路被切断，取下存储板并读取数据。然后在计算机上对数据进行线下处理。在此过程中，分别进行三次2m、4m的滑动实验。

4、实验结果和分析：分别进行三组2m、4m直线定距测试，测试结果如表1所示。仅展示一次加速度时间图线和部分加速度数据，如图1所示，其中图1(a)、(c)是存储器中所有数据绘制图线，图1(b)、(d)是截取运动过程后的数据图线。

图1  部分加速度－时间图线

从图1可看出，前700个数据点对应静止的7s，此时加速度传感器数据在0上下波动。开始运动后，观察可知轴负向是滑块的前进方向，先经历一个快速加速过程，图2(b)、(d)出现一个向下尖峰；之后滑块进入相对稳定的滑动过程，此时滑块加速度逐渐变小；当滑块撞击挡板时，会发生正值的高冲击过载，该冲击值远大于加速度传感器量程，因此传感器具有满量程输出，轻微扰动后，加速度传感器输出立即趋于稳定。滑块在实际撞击后可能会轻微后退，冲击后的扰动对应于滑块的轻微后退，稳定后的输出值仍在0上下浮动，前后状态大致不变，系统运行稳定。

5、数据分析：从实验结果来看，2m、4m都具有相对准确的位移测量结果，最大误差为1.6%，最小误差为0.6%。经分析，产生不同误差原因是：①受滑动距离限制，误差难以进一步控制；②滑动过程由人力控制，拉动过程力的输出方向和大小难以控制。比较发现，较准确的实验图线更平滑，而误差较大的实验加速度数据不稳定，这对积分结果有一定影响；③滑道不能保持绝对水平，中间有弯曲变形，影响位移测量结果。

参考文献：

[1]王志乾.基于混合积分算法的微小位移量测量方法研究[J].仪表技术与传感器，2017(12):118-121.