2个例子,让你秒懂MEMS倾角传感器的工作原理

2020-04-27
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摘要 MEMS倾角传感器,顾名思义,是通过MEMS(微电子机械系统)技术制造的倾角传感器,其明显的优势是测量非常精准。

  倾角传感器,又称倾斜传感器、测角仪或坡度传感器,它可在重力作用下,测量物体的角度。随着微机电系统(MEMS)制造技术的进步,MEMS传感器因其性能优异,性价比高的特性,开始大量进入市场。

  MEMS倾角传感器,顾名思义,是通过MEMS(微电子机械系统)技术制造的倾角传感器,其明显的优势是测量非常精准。

  下面,将从2个例子,说透MEMS倾角传感器的原理。

  例子1:

  简单来说,MEMS倾角传感器就是通过地球重力,非接触式测量目标物体的倾角。本质上,倾角传感器要测量加速度,特别是重力加速度,因此其内部集成了加速度传感芯片。

  加速度传感芯片由一个MEMS传感部件以及外围信号处理电路组成。其MEMS传感部件示意图如下:

  MEMS传感部件中的蓝色部分是可移动的,而红色部分是固定的。在加速或减速时,蓝色部分将向左或向右移动,蓝色和红色部分之间的电容则随之改变。通过测量电容C1和C2即可确定加速度。如下图所示:

  也就是说,在被测物倾斜时会产生的加速或减速,令MEMS传感部件中可移动部分向一侧移动,图示如下:

  从该原理中可以看到,在测量过程中MEMS传感部件对震动会很敏感,被测物体的震动会影响测量结果。所以必须加入滤波器,消除一定频率之外的干扰。有些倾角传感器厂商还会根据用户需要配备滤波器。

  滤波器有两种:巴特沃茨(Butterworth)滤波器和临界阻尼滤波器(Critically damped)。巴特沃茨更适用于测量非移动的、振动较强的物体,例如大型钻井台;临界阻尼滤波器更适合用于测量移动的物体,例如工程车辆、农业车辆等。目前市面上绝大多数的倾角传感器仅配备了巴特沃茨滤波器,或不配备任何滤波器。

  例子2:

  MEMS倾角传感器的基本原理是在完全定型的专用集成电路(ASIC)中内置一个微机电系统(MEMS)传感器单元。

  用一个有两个电极的简单模型就能轻而易举地解释MEMS 传感器的作用。

  简易模型中采用的电极一个为固定电极,而与弹簧元件相连的另一个为弹性电极(检测质量)(参照图1)。

  图 1:MEMS 传感器的原理(1、检测质量;2、电极;3、弹簧;4、固定电极)

  当倾角仪处于水平位置时(请参阅图 2.1 ),测量电极间的相应电容量。如果传感器发生倾斜(请参阅图 2.2 ),弹性电极将改变它和固定电极的相对位置,而传感器单元所测量到的两个电极之间的电容量也相应发生改变。电容量的变化转换为相应的倾斜值。

  图2: MEMS传感器的位置(1、处于水平位置的MEMS传感器;2、处于倾斜位置的MEMS传感器)

  其实,MEMS加速计的工作原理与MEMS传感器的工作原理相类似,并且已经在许多工业和商业应用中得以验证,如手机的运动传感器和汽车安全气囊中。

  MEMS倾角传感器的典型应用:

  农业和林业机械

  工程机械和特种车辆

  太阳能和光伏

  自动导航系统

  起重机和吊装技术

  风力发电厂

  MEMS倾角传感器的相关名词解释:

  补偿交叉灵敏度:仅用于双轴型倾角传感器。一般情况下,一个轴的倾斜会影响另外一个轴。该补偿能够尽可能的减小这种影响。

  振动抑制特:用于设置滤波器。通过设置,能够消除振动带来的负面影响,获得稳定的信号输出。

  温度系数:倾角传感器会受温度影响,随着温度的升高输出信号会变差。

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