用MEMS加速度传感芯片测量倾角

只看该作者 · 2023-2-13 22:47

用MEMS加速度传感芯片测量倾角

MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)是微机电系统的简称，它是一种将微米级微机械和集成电路组合在一起的装置。这种以半导体技术和微机电加工工艺设计、制造的传感器可与信号处理电路集成在一起，因此具有集成度高、成本低和功耗低的特点，现在已在工业、消费电子和通信电子领域得到大量应用。比如在手机和可穿戴设备中都有MEMS加速度传感芯片的应用。

加速度芯片并不能直接测量物体的倾角，它是通过测量重力加速度在测量轴上的投影分量来测量物体的被测轴与水平或竖直方向的夹角。如图1所示，重力加速度在测量轴x方向的投影分量：Ax=g×sin(θ)，该式就是MEMS加速度芯片的输出量与x轴相对于水平面倾角的对应函数关系。

图1
对于单轴输出的MEMS加速度传感芯片，由上面的输出式子可以看出：当倾角由0°变化到±90°时，传感芯片的输出灵敏度在逐渐降低，0°时灵敏度最高，±90°时灵敏度降低到接近0，如图2所示。关系式中的正弦函数反映出灵敏度的这一变化趋势。

图2

若要在大的范围内得到较高的测量灵敏度，或实现360度倾角测量，需要双轴MEMS加速度传感芯片，如图3所示增加y轴测量，且x轴和y轴是相互垂直的。

图3

其中，x轴的输出为Ax=g×sin(θ)

y轴的输出为Ay=g×cos(θ)

或：Ax/Ay=tan(θ)

如图4所示，在0°附近x轴的灵敏度高，在±90°附近y轴的灵敏度高。这样可以实现360°范围内的比较高的灵敏度测量。

图4

采用两轴加速度芯片测量倾角的另一个优点是可以修正重力在第三轴向倾斜的影响。如果重力方向在xy平面内，由x轴和y轴的输出公式可得：Ax2+Ay2=1。实际测量时如果Ax2+Ay2小于1，则可判断重力方向与xy平面存在夹角，这样会造成x和y方向倾角的测量误差，在一定条件下可通过Ax2+Ay2的值修正测量结果。当然要实现高精度测量最好使用三轴的加速度芯片。

工业方面的倾角测量比消费类电子产品倾角测量要求精度高，因此在选择MEMS加速度测量芯片时要重视芯片的测量精度、噪声水平和稳定性。因为倾角测量基于对重力加速度的测量原理，对振动干扰比较敏感，要对测量数据加后续处理；因为重力加速度只有1g，为了提高测量精度还要选择测量范围低的芯片，一般选择±2g左右的测量范围。如ANALOG公司的ADXL103是单轴输出、ADXL203是双轴输出，测量范围是±1.7g，模拟信号输出。ANALOG公司还生产有数字信号输出、集成度更高、精度更高的iSensor® MEMS加速度计子系统。如ADIS16209高精度、双轴数字倾角计和加速度计，采用双模式倾角计系统，双轴、水平操作测量范围±90°，单轴、垂直操作测量范围±180°，倾角测量精度：0.1°，数字倾斜分辨率：0.025，具有数字温度传感器输出和数字控制偏置校准功能。ADIS16210是三轴输出，具有同样的测量精度。ADIS16209的功能框图如图5所示。

图5

使用MEMS加速度测量芯片测量倾角具有体积小、功耗低、无运动部件等优势，但是一般适用于倾角静态测量或运动速度较慢物体的倾角测量。因为它是利用加速度测量原理，在测量运动部件的倾角时容易受到物体运动加速度的影响，被测部件自身运动的加速度会叠加到测量轴向的重力加速度分量中，产生额外的误差。因此，研究使用MEMS加速度测量芯片进行倾角动态测量是一个重要和有意义的课题。