基于STM32的倾斜仪研发及应用文献综述

 2022-09-29 11:09

文献综述(或调研报告):

在此次设计中,我们的目标是基于微处理器,结合一系列硬件电路,在现有的倾斜仪基础上进行改进,设计出一款高精度、高灵敏度的倾斜仪。并辅以通信功能,可以实现倾斜仪与上位机的通信功能。

目前,对倾斜仪的设计基本都是由三部分组成:倾角传感器、信号处理、显示/信号传输。倾角传感器用于将倾角信号转换为电信号用于处理,目前常用的倾角传感器芯片有FXLN8361Q、MPU9250、SCA60C等,他们可以将检测到的倾角信号转换为电信号,于是我们就可以利用这些电信号还原倾斜角度。信号处理部分,有硬件部分和软件部分。硬件部分主要是通过调理电路对传感器发出的电信号进行滤波调理,从而方便后续的处理。软件部分则是利用STM32、MSP430等单片机对电信号进行分析计算,得到有关倾角的具体数据。得到倾角之后,可以将倾角通过数码管进行显示或者将其传输给上位机进行进一步处理。

在测量精度方面,也有不少前辈做了很多努力。常见的做法主要是在传感器和信号处理两个环节进行改进,以谋求更高的精度。目前最小测量角度已经可以达到0.05°,最小线性误差可以达到0.005%。

测斜仪的制造原理有很多种,比如在《A liquid MEMS inclinometer sensor with improved sensitivity》一文中提出了一种液体微机电系统(MEMS)测斜仪传感器[1]。在传感器中,液体金属液滴在由重力驱动的环形通道内移动。液态金属的位置由电极反射,并获得新的倾斜角。实验表明,该传感器的分辨率为3.625°,测量范围宽,为plusmn;45°。与固体MEMS陀螺仪相比,所提出的液体传感器具有制造步骤更少和成本低的优点。此外,它对抗冲击的能力也很突出。

北京信息科技大学的黄旭老师等人,运用MXT9030电容检测芯片和STM32单片机设计的电容式倾斜仪。利用铍青铜材料作为振动元件来制作一款倾角传感器,计算了倾角传感器铍青铜元件偏角和输出电压之间的关系,并在此基础上设计了一款三明治式电容式倾斜仪[2]。他们针对倾角增加时出现的非线性特性,采用MXT930电路进行补偿,从而提高传感器的非线性。其设计成果测量范围广,线性度良好。

在郑永等人的《Theoretical and experimental study on the fiber Bragg grating-based inclinometer for slope displacement monitoring》中,介绍了一种基于光纤布拉格光栅的斜坡位移监测测斜仪的理论并对其及进行了实验研究[3]。结果证明这种方法的效果还不错。

在《High Precision Digital Inclinometer Based on Over Sampling Theory》一文中,作者采用模拟信号微加速度计FXLN8361作为测量元件,TI的高性能低功耗单片机MSP430F5529用作控制器,基于过采样理论设计了一款高精度倾斜仪[4],其结构如图1所示。将传感器、调理电路、单片机以及采样算法有机结合起来,设计出的仪器精度很高:最小测量角度可以从0.8°提升至到0.05°。得到测量曲线斜率的标准差:5.2993times;10-5,截距标准差为0.00277;线性误差小于0.00525%。

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