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、xinhaochulidianlugaodujichengyuyigeguipianshang。hesuoyoujiasudujiyiyang，chuanganqidanyuanshichadongdianrongqi，qishuchuyujiasuduchengbili。jiasudujidexingnengyilaiyuchuanganqidejiegousheji。chadongdianrongshiyouxuanbilianggoucheng，erxuanbiliangshiyouhenduoxiangjianfenbudezhizhuangdianrongdianjifugoucheng，yifuzhizhuangdianrongdianjikejianhuaweitu1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(zai)ADXL202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

      

ADXL202yongyuqingjiaoceliangshizuidianxingdeyingyongzhiyi，tayizhonglizuoweishurushilianglaijuedingwutizaikongjiandefangxiang。dangzhongliyuqiminganzhouchuizhishi，taduiqingxiezuimingan

，zaigaifangweishangqiduiqingjiaodelingminduzuigao。dangminganzhouyuzhonglipingxingshi，meiqingxie1 °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biao2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。

 

 

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