MEMS加速度傳感器 

      

ADXL202是最新的、低重力加速度雙軸表麵微機械加工的加速度計，以模擬量和脈寬調製數字量2種方式輸出，並具有極低的功耗和噪音。表麵微機械加工使加速度傳感器、信(xin)號(hao)處(chu)理(li)電(dian)路(lu)高(gao)度(du)集(ji)成(cheng)於(yu)一(yi)個(ge)矽(gui)片(pian)上(shang)。和(he)所(suo)有(you)加(jia)速(su)度(du)計(ji)一(yi)樣(yang)
，傳(chuan)感(gan)器(qi)單(dan)元(yuan)是(shi)差(cha)動(dong)電(dian)容(rong)器(qi)，其(qi)輸(shu)出(chu)與(yu)加(jia)速(su)度(du)成(cheng)比(bi)例(li)。加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)性(xing)能(neng)依(yi)賴(lai)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)結(jie)構(gou)設(she)計(ji)。差(cha)動(dong)電(dian)容(rong)是(shi)由(you)懸(xuan)臂(bi)梁(liang)構(gou)成(cheng)，而(er)懸(xuan)臂(bi)梁(liang)是(shi)由(you)很(hen)多(duo)相(xiang)間(jian)分(fen)布(bu)的(de)指(zhi)狀(zhuang)電(dian)容(rong)電(dian)極(ji)副(fu)構(gou)成(cheng)，一(yi)副(fu)指(zhi)狀(zhuang)電(dian)容(rong)電(dian)極(ji)可(ke)簡(jian)化(hua)為(wei)圖(tu)1所(suo)示(shi)的(de)結(jie)構(gou)。每(mei)個(ge)指(zhi)狀(zhuang)電(dian)極(ji)的(de)電(dian)容(rong)正(zheng)比(bi)例(li)於(yu)固(gu)定(ding)電(dian)極(ji)和(he)移(yi)動(dong)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)重(zhong)疊(die)麵(mian)積(ji)以(yi)及(ji)移(yi)動(dong)電(dian)極(ji)的(de)位(wei)移(yi)。顯(xian)然(ran)，這(zhe)些(xie)都(dou)是(shi)很(hen)小(xiao)的(de)電(dian)容(rong)器(qi)，並(bing)且(qie)，為(wei)了(le)降(jiang)低(di)噪(zao)聲(sheng)和(he)提(ti)高(gao)分(fen)辨(bian)力(li)，實(shi)際(ji)上(shang)需(xu)要(yao)盡(jin)可(ke)能(neng)大(da)的(de)差(cha)動(dong)電(dian)容(rong)。

 

      

懸臂梁的運動是由支撐它的多晶矽彈簧控製。這些彈簧和懸臂梁的質量遵守牛頓第二定律:質量為m 的物體，因受力F而產生加速度a，則F =m a。而彈簧的形變與所受力的大小成比例，即F = kx，所以

 

x = （m / k） a 
，

 

式中　x為位移
， m; m 為質量， kg; a為加速度， m / s2 ; k為彈簧剛度係數， N /m。

 

因此，僅有支撐彈簧的剛度和懸臂梁的質量2個參數是可控的。減小彈簧係數似乎是提高懸臂梁靈敏度的一種容易方法
，但懸臂梁的共振頻率正比例於彈簧係數
，所以， 減jian小xiao彈dan簧huang係xi數shu導dao致zhi懸xuan臂bi梁liang共gong振zhen頻pin率lv降jiang低di
，而er加jia速su度du計ji必bi須xu工gong作zuo在zai共gong振zhen頻pin率lv之zhi下xia。此ci外wai，增zeng大da彈dan簧huang係xi數shu使shi懸xuan臂bi梁liang更geng堅jian固gu。所suo以yi
，如ru果guo保bao持chi盡jin可ke能neng高gao的de彈dan簧huang係xi數shu
，隻zhi有you懸xuan臂bi梁liang的de質zhi量liang參can數shu是shi可ke變bian化hua的de。通tong常chang，增zeng大da質zhi量liang意yi味wei著zhe增zeng大da傳chuan感gan器qi的de麵mian積ji
，從cong而er使shi懸xuan臂bi梁liang增zeng大da。在zaiADXL202中，設計出一個新穎的懸臂梁結構。構成X軸和Y軸可變電容的指狀電極沿著一個正方形四周的懸臂梁集成
，從而使整個傳感器的麵積減小

，而且，共用的大質量的懸臂梁提高了ADXL202的分辨力。位於懸臂梁四角的彈簧懸掛係統用以使X 軸和Y軸的靈敏度耦合減小到最小。

 

傾角測量原理

      

ADXL202用yong於yu傾qing角jiao測ce量liang是shi最zui典dian型xing的de應ying用yong之zhi一yi，它ta以yi重zhong力li作zuo為wei輸shu入ru矢shi量liang來lai決jue定ding物wu體ti在zai空kong間jian的de方fang向xiang。當dang重zhong力li與yu其qi敏min感gan軸zhou垂chui直zhi時shi，它ta對dui傾qing斜xie最zui敏min感gan
，在zai該gai方fang位wei上shang其qi對dui傾qing角jiao的de靈ling敏min度du最zui高gao。當dang敏min感gan軸zhou與yu重zhong力li平ping行xing時shi，每mei傾qing斜xie1 °所引起輸出加速度的變化被忽略。當加速度計敏感軸與重力垂直時，每傾斜1 °所引起輸出加速度的變化約為17. 5mgn ，但在45°時
，每傾斜1 °所引起輸出加速度的變化僅為12. 5mgn ，而且

，分辨力降低。表1為X
， Y軸在鉛垂麵內傾斜±90 °時，X， Y 軸的輸出。

     

當該加速度計的X， Y軸都與重力方向垂直時，可作為具有滾轉角和俯仰角的雙軸傾角傳感器。一旦加速度計的輸出信號被轉化為一個加速度， 該加速度將位於- 1 gn 和+ 1 gn 之間。則傾斜角以度表示可按下式計算

 

θ= arcsin （AX / gn ）

 

γ= arcsin （AY / gn ） ，

 

式中　θ，γ分別為俯仰角和滾轉角， （ °） ; AX ， AY 分別為加速度傳感器X軸和Y軸輸出
， gn。 

 

 

傾角測量電路

      

測量電路方框圖如圖2所示

， ADXL202輸出的電壓首先經低通濾波器慮波
，再經電壓跟隨器進行阻抗匹配。當X， Y軸均處於水平位置時，兩路輸出電壓經分壓器分壓後為1. 2V，當X， Y軸分別從- 90°轉到+ 90°時，經過放大後的電壓從0V變到+ 2. 4V
，以適應單片機C8051F002的A /D轉換器的需要，然後，用單片機進行線性化處理和溫度補償
，分別以模擬量從D /A轉換器DAC0，DAC1輸出，並以θA 表示俯仰角的模擬量輸出，γB 表示滾轉角的模擬量輸出;同時，俯仰角和滾轉角轉換為數字量從串行口RS232以數字量度輸出，分別為θD 和γD。

 

 

實驗結果

      

在傾角計線性化和溫度補償後，進行了量程範圍內的測量，所用設備為三坐標測量儀工作台作為水平基準，200mm正(zheng)弦(xian)規(gui)及(ji)千(qian)分(fen)塊(kuai)規(gui)作(zuo)為(wei)角(jiao)度(du)發(fa)生(sheng)器(qi)產(chan)生(sheng)基(ji)準(zhun)角(jiao)度(du)，通(tong)過(guo)串(chuan)口(kou)連(lian)接(jie)傾(qing)角(jiao)計(ji)於(yu)計(ji)算(suan)機(ji)顯(xian)示(shi)傾(qing)角(jiao)計(ji)所(suo)測(ce)角(jiao)度(du)。由(you)於(yu)三(san)坐(zuo)標(biao)測(ce)量(liang)儀(yi)工(gong)作(zuo)台(tai)的(de)水(shui)平(ping)度(du)及(ji)正(zheng)弦(xian)規(gui)和(he)千(qian)分(fen)塊(kuai)規(gui)所(suo)產(chan)生(sheng)角(jiao)度(du)精(jing)度(du)足(zu)夠(gou)高(gao)，認(ren)為(wei)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)角(jiao)度(du)誤(wu)差(cha)極(ji)小(xiao)
，可(ke)作(zuo)為(wei)角(jiao)度(du)的(de)期(qi)望(wang)值(zhi)。測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)如(ru)表(biao)2所示。

 

 

從表2可以算出:傾角最大誤差為- 0. 26°～0. 25°，而平均角度誤差為±0. 135°， 分別為滿量程的0. 57 %和0. 30 %。 

 

 

結　論

      

本文利用MEMS雙軸加速度傳感器設計的雙軸傾角計，體積小
、重量輕（約10 g）

，線性化及溫度補償後的測量結果表明: 在測量範圍±45°內



， 最大誤差為滿量程的0. 57 %

，平均誤差為滿量程的0. 30 %。

     

該傾角計很好地滿足了MAV姿態控製時滾轉角、俯仰角測量要求。同時，該傾角計也可以用於要求體積小
、重量輕的其他測量設備上。

 

 

推薦閱讀：