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【摘 要】在工程几何测量中，角度测量占据着重要的地位。由于工业体系中对于角度测量技术要求的不断提高，应用在许多的测量现场。由于现有的角度测量仪器局限于测量范围、精度还有体积和功能损耗等多方面的影响，不能够满足与现如今的许多测量要求。针对这种情况，本文从Mems倾角传感技术应用在测量仪器上的研制做一个大胆的设想。
【关键词】Mems倾角传感技术；测量仪器；设想
引言
生活及工程应用当中，设备倾斜角的测量场合非常之多，使用电子式倾角检测仪可以大大提高工作效率以及准确度。利用微机电（Microelectromechanical）重力加速度计实现倾斜角测量已成为一种广泛应用的方法。特别是三轴重力加速度计三个轴分量的输出，使得其在测量摆幅、方位上得到兼顾，设计了一款全摆幅、全方位、高精度的智能化三轴倾斜角传感器。但不论是模拟输出器件还是数字输出器件，实现系统均存在因各种因素导致的误差。分析这些误差对系统测量准确度的影响在高精度要求场合的应用中显得非常重要。针对这些误差，如0g偏置误差，灵敏度失配误差，必须采取校准，减小其对系统测量精准度的影响。
一、倾斜角测量原理
重力传感器放置于重力场中，在传感轴方向上存在重力的分量，根据三角函数可解算出传感器的倾斜角。如图1单轴倾角检测示意图，感应轴x轴与
重力g方向垂直，倾斜角为θ，则x轴输出加速度为：
增量灵敏度为单位倾斜角步进的输出变化。设倾斜角为θ，步进值设为p，则增量灵敏度为：
在步进值一定的要求下，随着倾斜角变化，灵敏度变化须在加速度计的分辨率之内，转换得到的倾斜角才能满足应用要求。这里以0.1°步进值为例，使用Matlab仿真计算倾斜角θ在±90°范围内的增量灵敏度，如图2所示。在0°时，灵敏度最高，此时须1.745mg的输出灵敏度；单轴重力加速度计无法实现全倾角范围内高精度测量。为实现这一要求，须把双轴加速度传感器垂直放置，一个传感方向与重力方向垂直，一个传感方向与重力方向平行。倾斜角为θ，则输出加速度值为：
式（5）表明增量灵敏度仅是步进值的函数，仿真计算0～1°步进的增量灵敏度，若要求输出步进值为0.1°，则重力加速度计分辨率须达到1.7453mg/LSB，该值为恒定值，可解决单轴无法实现全摆幅测量的问题。双轴加速度计由于一轴与重力方向一致，倾角大于180°后的加速度分量值将出现重复，但实际方向相反。因此需要三轴加速度计才可实现全摆幅、全方位的高精度倾角测量。检测示意图如图1所示。由于三轴的检测效果等同于单轴及双轴的检测效果和，其灵敏度与双轴的一致。利用重力加速度计来测量倾斜角，倾角分辨率是一个关键参数，分析其影响因子增量灵敏度，从而可确定选用的重力加速度计的分辨率是否满足应用需求。
二、基于Mems角度测量系统设计的要点分析
大角度的测量具有高分辨力、强的抗外部噪声和抗干扰才能以及杰出的抗震性，这首要是因为采用了依据Mems传感器技能的倾角传感器。依据该倾角传感器的特性，在规划过程中应留意以下几个关键：因为视点传感器的输出和供电电压成线性关系，所以其供电电源应具有低漂移和低噪声的特色，为了得到高精密的丈量，最佳采用精密电压基准。视点丈量芯片的模拟输出为差分信号，所以对芯片输出信号进行处理的放大器应具有零漂移和差分输入的功能。传感器的装置应当具有杰出的稳定性，防止因为装置不稳定使传感器倾斜，致使输出发生变化，然后致使视点丈量误差。视点传感器有对比输出，为了得到最佳效果，与模数转换器要用一样的参考电压。芯片由标准5V直流供电，供电线路的数字噪声耦合，应尽量减小。
三、角度测量系统的总体设计分析
角度测量系统以角度测量传感器为前端测量元件，输出信号能够经过扩大电路调度得到较为稳定的信号，再由模数芯片以及单片机对传感器输出的信号进行处理，并经过串行接口芯片与计算机的串口进行通讯。经过软件对计算机发出指令，进行收集数据，对采到的数据进行处理、存储等操作，并在液晶屏上显示或者输入到计算机进行显示。视点丈量体系的原理框图如下图所示。
角度传感器测量系统里包含视点传感器和信号调度电路，视点传感器输出两路差分信号，经由信号调度电路滤波扩大，可得到电压信号表明倾角值大小，即前端信号。主控电路体系：对传感丈量体系输出的前端信号经过A/D转换器、低功耗单片机埘信号进行收集和处理。数据收集：计算机的串口与单片机的串口经过RS422总线进行联接，计算机经过软件对单片机宣布指令进行数据收集，并将收集到的数据送入计算机。数据处理及记载：对收集的数据，计算机以必定的规范进行判别，并将数据进行预处理和再处理，最终对成果进行存储、处理和显现。
四、基于角度传感器的测量系统的设计分析
1、倾角测量的芯片。本文选用了芬兰VTI科技的SCAl03T来获取倾斜角度信号，该传感器是基于3D-MEMS传感器技术的加速度倾角的传感器，芬兰VTI科技是通过利用加速度原理、通过MEMS硅电容技术提供高精度倾斜测量产品的世界上最好的厂家，为倾斜测量提供了非常多的良好的产品。三维微电子机械系统是利用各种技术的具有创新性的组台结构，可以将硅加上成三维结构.其封装和触点便于装置和装置，用这种技术制造的传感器具有极好的精度、极小的标准和极低的功耗。一个高级的传感器仅由一小片硅就能制造出来，并能丈量三个彼此笔直方向的加速度。使用3D-MEMS技术，VTI能为高精度倾角传感器加工出最优的结构，比方，为承受激烈颤动的加速度传感器和高分辨率的高度计提供台适的机械阻尼。这些传感器的功率消耗非常低，这使它们在电池驱动设备中具有不可比较的优越性。
2、测量的示值范围、分辨力的计算。该角度传感系统能够实现正负15°的测量范围，由角度传感器对应输出两个模拟信号，Outl、Out2这两个信号输出范围分别为0-5v和5-Ov，利用差动原理，Output=Outl-Out2来表征角度值，所以得到一个正负5v的Output其中-5v-0v对应的是-15°-0°范围角度，0v-5v对应的是O°-正15°范围角度。正负5v的电压范围对应正负15°角度测量范围，即30°的角度范围对应10v（10000mv）电压范围，所以每个mv对应10.8"。但是本文选择的ADC的要求所致，我们选择适当放大倍数的放大器，使得Output为一个0.06v"-3.24v的正范围电压，其中1.65v为零位，即当传感器水平放置时，输出电压为1.65v，0.06v-1.65v表示的-15°-0°角度范围，1.65v-3.24v表示O°到正15°范围角度。这里我们用到的是14位数模转换，对应bit位数为16384，所以每个bit对应的角度值为6.592"≈7"/bit，相对我们任务预期的0.2"/bit的分辨力有所改进。 3、电源设计。由于测量芯片SCAl03T其输出与供电电压成比例关系，所以为了得到稳定的输出值，需要为SCAl03T提供一个稳定的供电电压。而在精密测量仪器仪表中，电源芯片的选择关系到系统的稳定性、功耗、软件设计和功率分配等等。目前低功耗便携式设备常用的电源管理芯片有：低压差稳压器（LD0）与超低压差稳压器（VLDO）；电压基准；基于电感器储能的DC/DC有BUCK、Boost、BUCK—Boost：基于电容器储能的Charge Pumps（又称无感应器的开关稳压器）；电池充电管理Battery Chargers及锂电池保护等。为了驱动传感器，电源芯片的低漂移、低噪声和低功耗特性至关重要。为此我们选用输出电压精度远比电压稳压器高的多的电压基准作为电源芯片。由于系统设计采用3节干电池供电，所以最好先将电压上升到5.5V-6V，然后再用电压基准芯片得N+5.00V的电压。在传感器内部的电路设计上，选择了LTCl751作为升压芯片，LTl751系列是一种采用1节锂离子电池可输出3.3V、5V或输出可调（3.2V-5.2V）、电流可达100mA的电荷泵IC。该器件主要特点有：超低功耗，典型值为20心；可输出lOOmA电流；有因定输出及可调整输出品种（LTCl751-3.3、LTCl751-5及LTCl751）；内部有短路及过热保护；可调整软启动时间；有关闭控制，在关闭状态时耗电小于1舭；有电源良好及欠压信号输出端；工作频率800kHz；8引脚MSOP封装。该电荷泵采用小尺寸电容，整个电路仅占印制板面积0.06平方英寸。电源设计电路图如图所示。
结束语
本文设计了一个基于数字式MEMS重力加速度计的倾角检测系统，分析0g偏置及灵敏度失配的误差影响，给出两种基本校准方法，并比较其优劣。通过基本校准，所设计的系统可达到输出倾斜角分辨率0.1°的测量精度。优化温漂对系统测量结果的影响将是下一步的工作方向。
参考文献：
[1]林钦坚，陈伟，宾显文.基于MEMS加速度计倾斜角检测的误差分析及校准[J].电子世界.2014（17）.
[2]窦寿军，谢刚，赵哲峰.基于MEMS加速度计的虚拟现实技术的研究[J].科学技术与工程.2013（33）.
[3]徐哲，刘云峰，董景新.基于相关向量机的MEMS加速度计零偏温漂补偿[J].北京航空航天大学学报.2013（11）.
【关键词】Mems倾角传感技术；测量仪器；设想
引言
生活及工程应用当中，设备倾斜角的测量场合非常之多，使用电子式倾角检测仪可以大大提高工作效率以及准确度。利用微机电（Microelectromechanical）重力加速度计实现倾斜角测量已成为一种广泛应用的方法。特别是三轴重力加速度计三个轴分量的输出，使得其在测量摆幅、方位上得到兼顾，设计了一款全摆幅、全方位、高精度的智能化三轴倾斜角传感器。但不论是模拟输出器件还是数字输出器件，实现系统均存在因各种因素导致的误差。分析这些误差对系统测量准确度的影响在高精度要求场合的应用中显得非常重要。针对这些误差，如0g偏置误差，灵敏度失配误差，必须采取校准，减小其对系统测量精准度的影响。
一、倾斜角测量原理
重力传感器放置于重力场中，在传感轴方向上存在重力的分量，根据三角函数可解算出传感器的倾斜角。如图1单轴倾角检测示意图，感应轴x轴与
重力g方向垂直，倾斜角为θ，则x轴输出加速度为：
增量灵敏度为单位倾斜角步进的输出变化。设倾斜角为θ，步进值设为p，则增量灵敏度为：
在步进值一定的要求下，随着倾斜角变化，灵敏度变化须在加速度计的分辨率之内，转换得到的倾斜角才能满足应用要求。这里以0.1°步进值为例，使用Matlab仿真计算倾斜角θ在±90°范围内的增量灵敏度，如图2所示。在0°时，灵敏度最高，此时须1.745mg的输出灵敏度；单轴重力加速度计无法实现全倾角范围内高精度测量。为实现这一要求，须把双轴加速度传感器垂直放置，一个传感方向与重力方向垂直，一个传感方向与重力方向平行。倾斜角为θ，则输出加速度值为：
式（5）表明增量灵敏度仅是步进值的函数，仿真计算0～1°步进的增量灵敏度，若要求输出步进值为0.1°，则重力加速度计分辨率须达到1.7453mg/LSB，该值为恒定值，可解决单轴无法实现全摆幅测量的问题。双轴加速度计由于一轴与重力方向一致，倾角大于180°后的加速度分量值将出现重复，但实际方向相反。因此需要三轴加速度计才可实现全摆幅、全方位的高精度倾角测量。检测示意图如图1所示。由于三轴的检测效果等同于单轴及双轴的检测效果和，其灵敏度与双轴的一致。利用重力加速度计来测量倾斜角，倾角分辨率是一个关键参数，分析其影响因子增量灵敏度，从而可确定选用的重力加速度计的分辨率是否满足应用需求。
二、基于Mems角度测量系统设计的要点分析
大角度的测量具有高分辨力、强的抗外部噪声和抗干扰才能以及杰出的抗震性，这首要是因为采用了依据Mems传感器技能的倾角传感器。依据该倾角传感器的特性，在规划过程中应留意以下几个关键：因为视点传感器的输出和供电电压成线性关系，所以其供电电源应具有低漂移和低噪声的特色，为了得到高精密的丈量，最佳采用精密电压基准。视点丈量芯片的模拟输出为差分信号，所以对芯片输出信号进行处理的放大器应具有零漂移和差分输入的功能。传感器的装置应当具有杰出的稳定性，防止因为装置不稳定使传感器倾斜，致使输出发生变化，然后致使视点丈量误差。视点传感器有对比输出，为了得到最佳效果，与模数转换器要用一样的参考电压。芯片由标准5V直流供电，供电线路的数字噪声耦合，应尽量减小。
三、角度测量系统的总体设计分析
角度测量系统以角度测量传感器为前端测量元件，输出信号能够经过扩大电路调度得到较为稳定的信号，再由模数芯片以及单片机对传感器输出的信号进行处理，并经过串行接口芯片与计算机的串口进行通讯。经过软件对计算机发出指令，进行收集数据，对采到的数据进行处理、存储等操作，并在液晶屏上显示或者输入到计算机进行显示。视点丈量体系的原理框图如下图所示。
角度传感器测量系统里包含视点传感器和信号调度电路，视点传感器输出两路差分信号，经由信号调度电路滤波扩大，可得到电压信号表明倾角值大小，即前端信号。主控电路体系：对传感丈量体系输出的前端信号经过A/D转换器、低功耗单片机埘信号进行收集和处理。数据收集：计算机的串口与单片机的串口经过RS422总线进行联接，计算机经过软件对单片机宣布指令进行数据收集，并将收集到的数据送入计算机。数据处理及记载：对收集的数据，计算机以必定的规范进行判别，并将数据进行预处理和再处理，最终对成果进行存储、处理和显现。
四、基于角度传感器的测量系统的设计分析
1、倾角测量的芯片。本文选用了芬兰VTI科技的SCAl03T来获取倾斜角度信号，该传感器是基于3D-MEMS传感器技术的加速度倾角的传感器，芬兰VTI科技是通过利用加速度原理、通过MEMS硅电容技术提供高精度倾斜测量产品的世界上最好的厂家，为倾斜测量提供了非常多的良好的产品。三维微电子机械系统是利用各种技术的具有创新性的组台结构，可以将硅加上成三维结构.其封装和触点便于装置和装置，用这种技术制造的传感器具有极好的精度、极小的标准和极低的功耗。一个高级的传感器仅由一小片硅就能制造出来，并能丈量三个彼此笔直方向的加速度。使用3D-MEMS技术，VTI能为高精度倾角传感器加工出最优的结构，比方，为承受激烈颤动的加速度传感器和高分辨率的高度计提供台适的机械阻尼。这些传感器的功率消耗非常低，这使它们在电池驱动设备中具有不可比较的优越性。
2、测量的示值范围、分辨力的计算。该角度传感系统能够实现正负15°的测量范围，由角度传感器对应输出两个模拟信号，Outl、Out2这两个信号输出范围分别为0-5v和5-Ov，利用差动原理，Output=Outl-Out2来表征角度值，所以得到一个正负5v的Output其中-5v-0v对应的是-15°-0°范围角度，0v-5v对应的是O°-正15°范围角度。正负5v的电压范围对应正负15°角度测量范围，即30°的角度范围对应10v（10000mv）电压范围，所以每个mv对应10.8"。但是本文选择的ADC的要求所致，我们选择适当放大倍数的放大器，使得Output为一个0.06v"-3.24v的正范围电压，其中1.65v为零位，即当传感器水平放置时，输出电压为1.65v，0.06v-1.65v表示的-15°-0°角度范围，1.65v-3.24v表示O°到正15°范围角度。这里我们用到的是14位数模转换，对应bit位数为16384，所以每个bit对应的角度值为6.592"≈7"/bit，相对我们任务预期的0.2"/bit的分辨力有所改进。 3、电源设计。由于测量芯片SCAl03T其输出与供电电压成比例关系，所以为了得到稳定的输出值，需要为SCAl03T提供一个稳定的供电电压。而在精密测量仪器仪表中，电源芯片的选择关系到系统的稳定性、功耗、软件设计和功率分配等等。目前低功耗便携式设备常用的电源管理芯片有：低压差稳压器（LD0）与超低压差稳压器（VLDO）；电压基准；基于电感器储能的DC/DC有BUCK、Boost、BUCK—Boost：基于电容器储能的Charge Pumps（又称无感应器的开关稳压器）；电池充电管理Battery Chargers及锂电池保护等。为了驱动传感器，电源芯片的低漂移、低噪声和低功耗特性至关重要。为此我们选用输出电压精度远比电压稳压器高的多的电压基准作为电源芯片。由于系统设计采用3节干电池供电，所以最好先将电压上升到5.5V-6V，然后再用电压基准芯片得N+5.00V的电压。在传感器内部的电路设计上，选择了LTCl751作为升压芯片，LTl751系列是一种采用1节锂离子电池可输出3.3V、5V或输出可调（3.2V-5.2V）、电流可达100mA的电荷泵IC。该器件主要特点有：超低功耗，典型值为20心；可输出lOOmA电流；有因定输出及可调整输出品种（LTCl751-3.3、LTCl751-5及LTCl751）；内部有短路及过热保护；可调整软启动时间；有关闭控制，在关闭状态时耗电小于1舭；有电源良好及欠压信号输出端；工作频率800kHz；8引脚MSOP封装。该电荷泵采用小尺寸电容，整个电路仅占印制板面积0.06平方英寸。电源设计电路图如图所示。
结束语
本文设计了一个基于数字式MEMS重力加速度计的倾角检测系统，分析0g偏置及灵敏度失配的误差影响，给出两种基本校准方法，并比较其优劣。通过基本校准，所设计的系统可达到输出倾斜角分辨率0.1°的测量精度。优化温漂对系统测量结果的影响将是下一步的工作方向。
参考文献：
[1]林钦坚，陈伟，宾显文.基于MEMS加速度计倾斜角检测的误差分析及校准[J].电子世界.2014（17）.
[2]窦寿军，谢刚，赵哲峰.基于MEMS加速度计的虚拟现实技术的研究[J].科学技术与工程.2013（33）.
[3]徐哲，刘云峰，董景新.基于相关向量机的MEMS加速度计零偏温漂补偿[J].北京航空航天大学学报.2013（11）.