旋转状态下倾角传感器的性能及测试补偿方法研究

摘要

角度测量是计量科学的重要组成部分。随着生产和科学的不断发展，角度测量越来越广泛地应用于机械、光学、航空、航天、航海等各个领域，技术水平和测量准确度也在不断提高。 物体在有加速度干扰下的倾斜角度，是描述物体运动状态、特征不可或缺的参数，在交通、工业、航天、军事领域中都有着重要的意义，对目标的定位、追踪起到非常重要的作用。所以开发数字接口、价格适中、精度高，测量范围大的动态角度测量系统具有很强的实用价值。 旋转状态下的倾角测量属于有加速度干扰的动态倾斜角度测量的一种。在旋转参考系下，质量为m的物体受到指向旋转中心的连接物的牵引力，但却相对于该参考系静止，没有加速度，不符合牛顿第一定律。所以，相对于惯性系作匀速转动的参考系也是非惯性系，要在这种参考系中保持牛顿第二定律形式不变，在质点静止于此参考系的情况下，应引入惯性力Fc*=mω2r，称为离心惯性力，r表示自转轴向质点所引矢量，与转轴垂直。该状态下影响被测对象倾斜角度正确输出的加速度正是该力造成的。 本文在国内外可供参考资料稀缺的条件下，大胆构思出5种理论上可行的用于抵消基于MEMS加速度计的动态倾角测量系统在测量旋转状态下倾斜角度时产生的由向心加速度引入的误差的方案。比较了不同方案在精度以及软硬件成本、实现复杂度方面的优劣。最后选取了两种理论上较优的方案，进行软硬件设计，数据采集处理，并分析实验结果，阐述详细原因。 本文设计制作的旋转状态下倾角检测系统，在TZS-74ⅡA型陀螺仪表综合实验转台上进行了大量检测验证实验。利用下位机微控制器单元对ADC输出量进行数字滤波，经由RS485总线将数据送上位机处理；上位机运用Visual Studio6.0读取串口数据，并利用Matlab内建的MCC编译器将Matlab脚本m文件和函数m文件编译为C/C++源文件，进行插值运算，并将插值结果回显到Windows可视化应用程序上。试验结果验证了本文阐述的方案的有效性和可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1课题背景研究

1.1.1课题背景

1.1.2国内外动态倾角测量技术发展现状

1.2本课题研究对象——旋转状态下的倾角测量

1.2.1基于MEMS加速度计测量倾角的方法

1.2.2消除基于MEMS加速度计的倾角测量系统中向心加速度引入误差的思路

1.3论文结构安排

第2章MEMS加速度传感器

2.1硅微压阻式加速度传感器

2.2硅微热电耦式加速度传感器

2.3硅微谐振式加速度传感器

2.4硅微光波导加速度传感器

2.5硅微电容式加速度传感器

2.6 VTI用于检测倾斜角度的加速度计

2.6.1 VTI硅电容技术

2.6.2低g值加速度计

2.6.3低g值硅电容加速度计检测倾角的原理

第3章旋转状态下倾角测量系统结构设计

3.1理论上可行的方案

3.1.1直流电机+单、双轴加速度计结构

3.1.2两只单轴加速度计结构

3.1.3单只双轴加速度计结构

3.1.4改进版单只双轴加速度计结构

3.1.5两只单轴加速度计改进版分析

3.2各种方案的优缺点

3.3试验方案的硬件系统结构

3.4动态倾角测量系统硬件电路设计

3.4.1加速度传感器模块

3.4.2数据采集及A/D转换单元

3.4.3 MCU微控制单元

3.4.4电源模块

3.4.5串行通信

3.4.6单片机硬件抗干扰技术

3.5动态倾角测量系统软件设计

3.5.1下位机软件设计

3.5.2上位机软件设计

第4章试验设备及数据采集

4.1试验设备及改装

4.1.1 TZS-74IIA型陀螺仪表综合试验转台

4.1.2转台的改装

4.2数据采集

4.2.1准备工作

4.2.2数据采集

4.2.3数据整理

第5章数据分析及结论

5.1数据分析

5.2数据分析结果

5.3结论

致谢

参考文献

附录

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果