基于MEMS加速度传感器的云高仪倾角和振动测量

　　0　引言

　　MEMS加速度传感器能够用来测量快速变化或相对稳定的加速度。当加速度传感器处于振动状态时,可以很容易测量各种作用力导致的振动频率和幅度;当加速度传感器处于稳定状态(也就是没有平行或垂直方向上的加速度)时,其上施加的只有重力,重力方向和加速度传感器轴心之间的夹角就是倾角,可以从任意起始方向测得。MEMS加速度传感器非常适合于一般的倾角和振动测量应用,与各种专用的倾角和振动测量模块相比,用基于MEMS技术的加速度传感器测量倾角的最大优势是体积小巧、成本低,由于内置信号处理和温度传感电路,其电路应用更加灵活,而且线性度和分辨率完全满足很多测量要求。

　　目前,基于MEMS技术的加速度传感器有多种实现方式,电容式和热感应式是其中应用比较广泛的2种。热感应式加速度传感器的测量灵敏度受到环境温度的影响。典型的热感应式加速度传感器是MXA2500E,带双轴加速度两路模拟输出、一路温度模拟输出,并且具有低噪声、低温度漂移的特点。电容式加速度传感器具有测量精度高,输出稳定,温度漂移小等优点。典型的电容式加速度传感器是ADXL202,一种量程为±2g、低成本、低功耗的双轴加速度计, 其在2个敏感轴向上分别输出与加速度大小成正比的模拟和数字信号[1]。

　　基于MEMS加速度传感器的倾角和振动测量应用广泛,不同的应用要求各不相同[2-5],差别主要体现在分辨率和带宽。例如,汽车盗车报警装置对倾角测量的分辨率要求不高,云高仪对倾角测量的分辨率要求较高,机电设备的振动频率范围不同测量的通带也不同。文中介绍的方案应用于半导体云高自动测量系统,该系统用于实时测量云层的垂直高度和结构,系统光路的倾角直接影响云高测量结果。因此必须精确获取该倾角,来校正垂直云高。同时,小于10 s的测量间隔也对倾角测量的实时性提出了要求。另外,因该系统工作环境较差,大风等恶劣天气必然造成系统机械结构发生振动,影响测量结果,如果用于机载或车载测量,机械结构的振动则更为明显。

　　文中将以ADXL202E加速度传感器为例介绍加速度传感器在半导体激光云高自动测量系统中测量倾角和振动的具体方案、电路设计和信号处理方法,并且比较分析各种信号处理方案的抗噪声性能。

　　1　倾角和振动测量方案设计

　　ADXL202E的输出可以是模拟或数字信号(占空比与加速度成正比),两者都能反映加速度大小,但特点不相同。模拟电压输出时,信号需要 A/D转换,驱动能力很弱,但是信号带宽大,最能反映实时加速度变化;占空比输出时,周期可以通过一个外部电阻调节,调节范围为0·5~10 ms,可以直接用于触发微处理器计数,而不需要A/D转换或相关逻辑电路。很多实际应用中,需要监测的状态很多,往往为了节约数字通道而选择时分复用模拟通道,ADXL202E的输出模拟电压的情况可以有2种方案:[1]