CN105259370A - 一种基于mems线加速度计的角加速度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于MEMS线加速度计的角加速度测量装置，包括两块MEMS线加速度芯片和传感器圆盘，所述的传感器圆盘的圆心与转轴固连；两块MEMS线加速度芯片分别安装在传感器圆盘的边沿和圆心上，两块MEMS线加速度芯片的线加速度感应方向相互平行，并与传感器圆盘的半径方向垂直；当传感器圆盘随着转轴旋转时，将两块MEMS线加速度芯片输出的线加速度信号做差，就得到传感器圆盘的圆周旋转线加速度，再除以传感器圆盘的半径，就得到最终的旋转角加速度。本发明使角加速度传感器结构简单，可靠性高，并且在拥有较高的精度的同时，大大降低角加速度传感器成本。

Description

一种基于MEMS线加速度计的角加速度测量装置

技术领域

本发明涉及一种角加速度测量装置，特别是一种基于MESM线加速度计，间接测量角加速度的装置。

背景技术

在惯性传感器中，角加速度传感器的用途十分广泛，比如汽车平稳驾驶检测、导弹惯导***、硬盘驱动消除抖动、数字相机消除抖动等等。角加速度的测量方法可以分为：直接测量式和间接测量式。直接测量式是指通过敏感角加速度的传感器直接获得角加速度的信息。间接测量式是指采集与角加速度相关的其它信号，进而通过计算得出角加速度信息。

直接测量式角加速度传感器主要包括：压阻式角加速度传感器、压电式角加速度传感器、液环式角加速度传感器等。这些传统的直接式角加速度传感器已经形成产品并且得到广泛应用，但是它们的价格都非常昂贵，大多在数万元左右。因此，在一些低成本的应用中，人们更倾向于使用间接式角加速度传感器。

间接式角加速度传感器的测量方法简单列举如下。首先，是应用光电编码器测量角加速度，即通过光电编码器测量角位置信息，进而通过微分计算得到角加速度，但是微分计算会引入较大的延时和误差，影响角加速度的精度。其次，中国发明专利号CN201410259116提供了一种轴套型永磁旋转角加速度传感器，这种方法使用无刷直流电机作为测速发电机，输出与角速度成正比的电压信号，进而滤波、微分后得到角加速度信号，但是这种方法成本较高，且依然需要角速度信号对于时间的微分。

MEMS技术指微机电***(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)，也叫做微电子机械***，是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的一种电子机械器件。它具有体积小、重量轻、可靠性高的优点，将MEMS技术应用于角加速度计是角加速度计的发展方向，比如中国发明专利号CN200610011906提供了一种扭摆式硅MEMS角加速度传感器，但是这种方法仅仅得到了仿真验证，并没用在实际中应用。

国内外对于MEMS角加速度计的研究还没有那么广泛，还没有较成熟的MEMS角加速度计芯片。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于MEMS线加速度计的角加速度测量装置，应用两片价格只有几十元的MEMS线加速度计芯片，通过计算将直接测量到的线加速度转化为角加速度，间接得到转轴角加速度的大小，可以使角加速度传感器结构简单，可靠性高，并且在拥有较高的精度的同时，大大降低角加速度传感器成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括两块MEMS线加速度芯片和传感器圆盘。

所述的传感器圆盘的圆心与转轴固连；两块MEMS线加速度芯片分别安装在传感器圆盘的边沿和圆心上，两块MEMS线加速度芯片的线加速度感应方向相互平行，并与传感器圆盘的半径方向垂直；当传感器圆盘随着转轴旋转时，将两块MEMS线加速度芯片输出的线加速度信号做差，就得到传感器圆盘的圆周旋转线加速度，再除以传感器圆盘的半径，就得到最终的旋转角加速度。

本发明还包括信号调理电路和V/I转换电路，信号调理电路和V/I转换电路都安装在传感器圆盘上，两块MEMS线加速度芯片的输出电压信号分别接入各自的信号调理电路，对输出电压信号进行滤波并将输出电压幅值调整到V/I转换电路可接受的范围，经过调理后的输出电压信号经V/I转换电路转化为电流信号输出。

所述的传感器圆盘上安装PCB电路板，所述的MEMS线加速度芯片、信号调理电路和V/I转换电路都集成在PCB电路板上。

本发明的有益效果是：

1)采用MEMS线加速度计芯片作为主要传感器，大大降低了角加速度传感器成本，并且可以将传感器与信号调理电路集成在一块电路板上，从而缩小体积，提高***的可靠性。

2)不同于一般间接测量中测量角度位置信号进而微分的方法，本发明直接测量线加速度信号，通过计算转化为角加速度信号，计算中没有对角度或角速度的微分，因而避免了微分计算引起的延时和误差。

3)使用两片MEMS线加速度芯片的方式，可以从硬件的角度直接消除重力加速度对于角加速度的影响，使得角加速度的计算十分简便。

4)传感器圆盘上的PCB电路板可以方便的实现精确定位，因此MEMS线加速度计芯片可以准确的安装在传感器圆盘的特定位置上，使得整个角加速度传感器的制作与安装简单方便。

5)应用V/I转换电路，将角加速度传感器的输出信号转换为电流进行传输，可以有效提高传感器的抗干扰性能。

附图说明

图1为角加速度传感器原理图；

图2为角加速度传感器结构图；

图3为角加速度测量***整体结构图；

图中，1—MEMS线加速度计一，2—MEMS线加速度计二，3—传感器圆盘，4—调理电路，5—V/I转换电路，6—调理电路，7—V/I转换电路，8—外部信号采集与处理电路，9—滑环，10—传感器支撑架，11—底座，12—电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的***包括两块MEMS线加速度芯片Acce1和Acce2，信号调理电路，V/I转换电路，传感器圆盘。

2片MEMS线加速度芯片、信号调理电路和V/I转换电路都集成在传感器圆盘的PCB电路板上，传感器圆盘与转轴相连，Acce1和Acce2分别安装在圆盘的圆周和圆心上。Acce1和Acce2的输出电压信号分别接入各自的信号调理电路，对信号进行滤波并将输出电压幅值调整到V/I转换电路可接受的范围。经过调理后的电压信号输入V/I转换电路转化为电流信号输出。MEMS线加速度芯片检测加速度的原理是内部有个通过感应器和MEMS芯片壁相连的质量块，因此MEMS线加速度芯片可检测作用在芯片上的外作用力产生的加速度和作用在质量块上的重力分量。传感器圆盘可以相对地面任意角度放置，只要两片芯片的线加速度感应方向相互平行，并与传感器圆盘的半径方向垂直。当传感器圆盘随着转轴旋转时，Acce1感应到的线加速度包含圆周的旋转线加速度和周期性变化的重力分量，Acce2感应到的线加速度仅包含周期性变化的重力分量。Acce1和Acce2感应到的重力分量相等，将Acce1和Acce2的输出线加速度信号做差就可以抵消重力分量影响，得到传感器圆盘的圆周旋转线加速度，再除以圆盘的半径，就可以得到最终的旋转角加速度，实现由MEMS线加速度计感应到的数值转化为角加速度的数值。

本发明的原理如图1所示，包含MEMS线加速度计一，MEMS线加速度计二，传感器圆盘3。传感器圆盘3与旋转轴同轴连接，MEMS线加速度计一和MEMS线加速度计二分别安装在传感器圆盘3的圆周上和圆心上。由于MEMS线加速度计自身的特性，MEMS线加速度计一和MEMS线加速度计二只能敏感图中X轴方向加速度，这个X轴是基于MEMS线加速度计芯片自身坐标系而确定的，因此X轴会随着圆盘的旋转而改变方向，并且始终与MEMS线加速度计一和MEMS线加速度计二的连线垂直。

当传感器圆盘3随着转轴一同旋转时，MEMS线加速度计一所敏感的X轴方向上的线加速度为a₁，它包含圆周上MEMS线加速度计一中心点位置的旋转线加速度a_ω和重力加速度在X轴方向上的分量g·cosθ，并且角度θ随着传感器圆盘3旋转而变化。MEMS线加速度计二所敏感的X轴方向上的线加速度为a₂，由于它位于传感器圆盘3的圆心处，因此它仅包含重力加速度在X轴方向上的分量g·cosθ。由此可得：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1=a_{\mathrm{\ω}}+g\·cos\mathrm{\θ}\\ a_2=g\·cos\mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

由于a₁和a₂中包含的重力加速度分量完全相等，因此将a₁和a₂做差，就可以得到MEMS线加速度计一中心点处的旋转线加速度a_ω，再将旋转线加速度a_ω除以芯片中心点到圆心的半径R，就可以得到旋转角加速度α。即：

$\mathrm{\α}=\frac{a_{\mathrm{\ω}}}{R}=\frac{a_1-a_2}{R}---\left(2\right)$

本发明的实施例如图2所示，包括MEMS线加速度计一，MEMS线加速度计二，传感器圆盘3，调理电路4，V/I转换电路5，调理电路6，V/I转换电路7。它们都集成在传感器圆盘3的PCB电路板上，从而角加速度传感器的体积小、可靠性高。MEMS线加速度计一感应到圆周处的线加速度a₁电压信号，经过信号调理电路4和V/I转换电路5转化为电流信号I₁输出，同理，MEMS线加速度计二感应到圆心处线加速度a₂电压信号，经过信号调理电路6和V/I转换电路7转化为电流信号I₂输出。PCB电路板可以将MEMS线加速度计一和MEMS线加速度计二准确的定位在传感器圆盘3的圆周和圆心上，使得角加速度传感器的安装简单方便。并且应用V/I转换电路，使用电流传输线加速度信号可以有效提高传感器的抗干扰性能。

角加速度测量***整体结构如图3所示，包含外部信号采集与处理电路8、滑环9、传感器圆盘3、传感器支撑架10、底座11、电机12。其中，电机12，滑环9，传感器圆盘3同轴连接，安装在底座11上，传感器圆盘3通过传感器支撑架10固定，来减小电机旋转时传感器圆盘3的抖动。传感器圆盘3输出的电流信号I₁和I₂，通过滑环9与外部信号采集与处理电路8相连，外部信号采集与处理电路8将电流信号I₁和I₂转化为电压信号，经过调理和ADC电路输入到内部CPU中，得到线加速度a₁和a₂，再按照公式(2)计算出角加速度α的值。

Claims (3)

1.一种基于MEMS线加速度计的角加速度测量装置，包括两块MEMS线加速度芯片和传感器圆盘，其特征在于：所述的传感器圆盘的圆心与转轴固连；两块MEMS线加速度芯片分别安装在传感器圆盘的边沿和圆心上，两块MEMS线加速度芯片的线加速度感应方向相互平行，并与传感器圆盘的半径方向垂直；当传感器圆盘随着转轴旋转时，将两块MEMS线加速度芯片输出的线加速度信号做差，就得到传感器圆盘的圆周旋转线加速度，再除以传感器圆盘的半径，就得到最终的旋转角加速度。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS线加速度计的角加速度测量装置，其特征在于：还包括信号调理电路和V/I转换电路，信号调理电路和V/I转换电路都安装在传感器圆盘上，两块MEMS线加速度芯片的输出电压信号分别接入各自的信号调理电路，对输出电压信号进行滤波并将输出电压幅值调整到V/I转换电路可接受的范围，经过调理后的输出电压信号经V/I转换电路转化为电流信号输出。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS线加速度计的角加速度测量装置，其特征在于：所述的传感器圆盘上安装PCB电路板，所述的MEMS线加速度芯片、信号调理电路和V/I转换电路都集成在PCB电路板上。