基于MEMS加速度计的高精度倾角传感器研制

为了测量煤矿井下液压支架姿态角度以实现支架姿态模型检测,设计了一款基于微电机系统(MEMS)加速度计的高精度倾角传感器。首先,对MEMS加速度计测倾角的基本原理进行研究。其次,分析传感器角度测量误差的影响因素,提高倾角传感器的测量精度:对加速度计的输出数据进行分析,分别设计传感器误差校准及坐标旋转的方法。最后,通过选用合适的传感测量元件及辅助电路,成功设计了高精度三轴倾角传感器。在试验室中对样机进行测试表明:该倾角传感器可以实现三轴方向上±90°范围的角度测量,测量精度在0.1°以内。该产品不仅可以用于煤矿井下,实现液压支架三轴姿态角度测量,满足液压支架姿态模型检测与分析的要求;还可以作为一种传感测量设备,在诸如工业自动化、智能平台等领域,实现角度测量功能。此外,误差校准及坐标旋转方法可以为其他高精度设备的设计提供良好的理论基础。     

用力传感器测量倾角的方法研究

提出了将力传感器用于倾角测量的设想，并通过实验加以验证。实验结果及推算结果与文中理论分析基本吻合，说明用力传感器进行倾角测量在理论上是正确的。该方法存在一定的测量误差，但误差分布规律性较强，适合应用误差补偿方法以减小实际测量误差。经过补偿，使力传感器测量倾角的实际误差减小了约99％，达到了较高的测量精度，完全可以满足工程实际倾角测量的精度要求。     

调平的测量误差分析与倾角传感器精度的选择

为减小调平误差,正确选择合适的传感器及其精度,以平台调平的倾角测量为研究对象,通过分析和计算推导出平台水平倾斜度与测量的方向倾角之间的数学关系式,并运用数学理论及误差合成原理重点对测量误差进行分析处理;最后在分析倾角传感器具体误差内容的基础上,以平台水平度允差作为误差参考标准,得到了在实际应用中平台调平的判断准则及传感器精度参数选择的理论依据,为后续的实验验证奠定了基础.     

MEMS数字倾角仪的标定补偿方法研究

在介绍MEMS数字倾角仪组成结构的基础上,根据数字倾角仪内部MEMS加速度计的输出特性,对MEMS加速度计的敏感单元建立数学标定模型,提出并推导了一种适用于MEMS数字倾角仪的标定方法;该方法可以得到双轴MEMS数字倾角仪中加速度计的零位电压、标度因数矩阵、安装误差系数等敏感项参数;通过重力场静态翻转实验对实验室研制的数字倾角仪进行标定;最后使用MATLAB拟合计算得到所求标定参数,并对测试结果进行了误差分析和补偿对比;实验结果表明,该方法能使MEMS数字倾角仪的测量精度提高到±0.05°,可以满足高精度的角度测量需求。     

一种适用于单轴MEMS倾角仪的快速标定方法及实现

针对单轴倾角仪核心元件MEMS加速度计零点电压和标度因数在反复上电后会发生改变,且在外场环境下,不能通过转台对其进行修正的问题,本文根据MEMS加速度计的安装误差、输出模型推导了单轴倾角仪的标定模型,提出了一种适用于单轴倾角仪的快速标定方法,并利用实验室研制的MEMS单轴倾角仪及LABVIEW软件编写的上位机对该方法进行了试验验证.实验表明,该快速标定方法可快速、准确地修正MEMS加速度计零点和标度因数的漂移,从而保证倾角仪的测量精度,具有良好的工程实践意义.     

一种MEMS加速度计误差分析与校准方法

MEMS传感器测量中一般存在确定性偏差和随机噪声两类误差,为提高其测量精度和稳定性,以MEMS加速度计为例,在建立其测量误差模型的基础上,提出一个综合的校准方案,同时对这两类误差进行补偿。其中使用Allan方差对随机噪声项进行量化分析,并综合采用了最小二乘法计算确定性校准系数,扩展卡尔曼滤波降低随机噪声等方法。通过实验验证,表明该方案可以有效校准加速度计测量的确定性偏差并降低随机噪声干扰,最终经过误差补偿后的测量数据在精度和稳定性方面都有明显提升。     

MEMS加速度计的动态倾角测量性能研究

为了分析MEMS加速度计的动态倾角测量性能,组建了虚拟仪器架构的倾角测量系统,通过设计的模拟实验对MEMS加速度计和传统膜电位倾角传感器的动态倾角测量性能进行了比较研究;结果显示:两种传感器所测的动态倾角信号具有很强的相关性,利用拟合曲线所得加速度计所测信号与基准信号间的最大偏差、均方误差、平均能量差异等指标均小于传统倾角传感器所测数据;提高运行速度后发现倾角信号振荡加剧,加速度计所测信号波动幅度较小且高频成分丰富,膜电位倾角传感器所测信号出现相位滞后;表明MEMS加速度计适合于一般工业场合下的低速动态测量,其所测信号与基准信号间的偏差小,信号波动幅度小、失真小;采用软、硬件信号处理手段,可以有效改善环境干扰对测量的影响。     

液压支架姿态角度测量系统

针对采用单一角度传感器实现综采工作面液压支架姿态角度监测时测量结果不准确的问题,提出了一种基于倾角传感器和陀螺仪的液压支架姿态角度测量系统。该系统采用SVT626T型倾角传感器和ML7100型三轴陀螺仪测量倾角和轴向偏转角度,并以俯仰角为例,用卡尔曼滤波对2种传感器测量的角度进行数据融合。Matlab仿真及实验结果表明,该系统有效解决了倾角传感器因顶梁变加速运动导致的测量误差和陀螺仪因长时间测量导致的漂移和误差累积问题,提高了顶梁姿态角度测量精度。     

硅电容式高精度双轴倾角传感器温度漂移补偿研究

为了提高倾角传感器测量精度,提出了一种基于最小二乘多项式分段函数非线性曲线拟合温度漂移补偿方法。根据倾角传感器原理与温度漂移补偿特性,结合实验情况,建立两段分段函数温度漂移补偿模型,忽略其它粗大误差的影响,引入自变量温度,并固定角度,使用最小二乘法对实验采集的数据进行分析与处理。经实验证明:温度在-36～55℃范围内倾角传感器测量误差精度达到0. 001°。该方法有效地提高了倾角传感器的测量精度,取得了良好的补偿效果。     

倾角传感器温度特性分析与试验

为进一步提高倾角传感器的测量精度,分析了温度对于传感器的影响,从整体结构和测量过程出发,重点分析了温度对于测量单元加速度计以及处理单元模数转换器的影响,并通过实验进行验证.在此基础上,采用最小二乘法和分段线性化相结合的温度误差补偿方法,通过实验证明该补偿方法可明显降低温度对角度测量的影响,具有很好的补偿效果.     

基于磁通门与重力加速度传感器的钻井测斜仪

介绍了以磁通门技术与加速度计为工作原理的钻井测斜仪,阐述了两种传感器的工作原理及测斜仪的结构设计,推导出井斜角、方位角、工具面角的数学模型。测斜仪采用幅值相位法和二次谐波法检测信号,采用内置单片机处理数据,通过对采集的数据进行逐点修正的方法来消除多种误差的影响,使测斜仪的测量精度得到显著提高。     

基于加速度计的数字式倾角仪的设计

所设计的数字式倾角仪是一种基于MEMS热电偶加速度计的智能测量仪,可用于测量0°~360°倾角,同时,针对环境温度变化时对加速度计的影响,通过软件进行了补偿,测试表明:该倾角仪的测量精度达±0. 1°,并具有良好的工作稳定性和较高的性价比。     

一种加速度计误差修正方法的研究

加速度计是惯性导航系统的一部分，用来测量车辆的线加速度，再经过两次积分，得到车辆的位置信息。为了进行精确定位，必须对它的误差进行修正，提高测量准确度。在对加速度计ADXL105的静态特性进行测试的基础上，建立了表示车辆加速度及影响导航系统定位准确度的主要误差的数学模型，并对模型的准确性进行了验证。     

两轮自平衡机器人惯性传感器滤波问题的研究

针对惯性传感器在两轮机器人姿态检测中存在随机漂移误差的问题,基于卡尔曼滤波实现对倾角仪与陀螺仪的信息融合,设计了简单而实用的滤波算法,对传感器的误差进行补偿后得到机器人姿态信号的最优估计,从而将其应用于两轮自平衡机器人系统。实验结果表明,采用卡尔曼信息融合的方法,来得到机器人姿态信息最优估计是有效可行的,并且有利于机器人完成自平衡的控制。     

基于查找表的车载经纬仪测角误差修正技术

车载平台的变形对光电经纬仪测角精度将产生一定的影响,使车载经纬仪难以达到高精度测量的目的;为了提高车载经纬仪静态测角精度,提出了基于查找表的静态测角误差事后补偿技术;首先,推导出车载经纬仪的静态测角误差修正模型。然后,利用安放在经纬仪垂直轴上的倾角传感器采集车载平台变形特征值;最后,构建映射函数,建立输入值和输出值之间的查找关系,即高精度的查找表;实验数据分析结果表明:该方法能有效补偿因为车载平台变形而带来的静态测角误差,使方位测角精度提高46″,高低测角精度提高20″;为实现车载经纬仪高精度测量提供了理论依据和技术支持。     

惯性测量组合的优化设计与误差补偿算法研究

设计了九加速度计惯性测量组合用于测量飞行体的姿态和位置。通过理论分析和计算机仿真,结果显示由9个加速度计的输出可解算出载体运动角速度和线加速度,但由于加速度计的测量误差引起的角速度的解算误差会随飞行时间的增长而累积,采用误差补偿算法可有效地减小误差。另对加速度计位置误差进行了理论分析和仿真,结果表明,由加速度计组合的惯性测量方案对加速度计位置误差非常敏感。     

一种新的高速铁路桥梁动挠度测试方法

动挠度测试是高速铁路桥梁荷载试验的一项重要检测内容。采用QY型倾角仪、小波分析和正交多项式函数组,成功地实现了高速铁路梁桥的动挠度测试。分析了QY倾角仪的动力特征,指出了此传感器在准确感应到梁体纵向倾斜的同时也能感应到梁体的纵向振动加速度。对QY倾角仪输出信号进行小波提升分解,提取出有用的纵向倾斜信号,然后再基于正交函数组计算出动挠度曲线。采用本方法与拉线式位移计在高速铁路桥梁上进行动挠度测试对比试验,试验结果表明本方法的测试结果与拉线式位移计的测试结果的误差非常小,可达到毫米级的精度,可用于高速铁路梁桥的动挠度测试。相比其他方法,本方法具有安装方便、可以测试任何条件下的桥梁的动挠度等优点。     

Error Analysis and Stochastic Modeling of Low-cost MEMS Accelerometer

This paper presents the error analysis and stochastic modeling of commercial low-cost MEMS Accelerometer. Although Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) based sensors have been utilized for the development of low-cost integrated navigation systems on the benefits of low inherent cost, small size, low power consumption, and solid reliability, it is significantly important to characterize the error behaviors of MEMS-based sensors and to construct more sophisticated mathematical modeling methods. The errors of MEMS-based accelerometer have been identified into deterministic and stochastic error sources and the stochastic error part was the focus to be discussed in this paper using discrete parameter models of stationary random process. Appropriate Autoregressive (AR) models have been analyzed which can be used to help the development of appropriate optimal algorithm for multiple sensor integration.     

新型测斜仪测量误差分析

在地下勘测,钻井探矿等领域,需要测斜仪对钻头的姿态进行精确定位与控制,实时监测地底下钻头的姿态变化。新型测斜仪采用环形双分量磁通门传感器和铁芯不固定的方法,具有结构简单,测量参数少,算法简单,正交度补偿算法简单等特点。但是新测斜仪在测量过程中,受到外界的误差干扰和内部传感器的安装设置误差等问题的干扰。本文针对新型测斜仪的传感器模型和电路设计方面,进行了新型测斜仪的测量误差原理分析,应用合理的电路设计减少电气间电磁干扰误差、应用了软件正交校正及物理校正的方法,有效的抑制了测斜仪传感器本身的姿态误差,提高了测斜传感器的测量准确度。