無人機(jī)傳感器與檢測技術(shù)課件：加速度傳感器認(rèn)知與校準(zhǔn)

無人機(jī)飛行控制傳感器認(rèn)知與功能測試項(xiàng)目描述無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場回收等整個飛行過程的核心系統(tǒng)，它能夠穩(wěn)定無人機(jī)飛行姿態(tài)，并能控制無人機(jī)自主或半自主飛行，是無人機(jī)的大腦。無人機(jī)飛控系統(tǒng)的傳感器將無人機(jī)的飛行姿態(tài)等動態(tài)信息采集并輸出給計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)，并保持無人機(jī)的穩(wěn)定。本項(xiàng)目擬通過加速度傳感器特性調(diào)研和PixHawk飛控中的加速度傳感器校準(zhǔn)、六軸IMU傳感器模塊特性調(diào)研和PixHawk飛控中的陀螺儀功能測試、九軸IMU傳感器模塊特性調(diào)研和PixHawk飛控中的電子羅盤校準(zhǔn)、數(shù)字氣壓高度傳感器特性調(diào)研和使用MPU6050六軸傳感器模塊功能測試等工作任務(wù)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者規(guī)范操作、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識，讓學(xué)習(xí)者認(rèn)識加速度計(jì)、陀螺、電子羅盤、氣壓高度計(jì)等傳感器，讓學(xué)生會使用傳感器模塊測量物體運(yùn)動的加速度、角速度等參數(shù)。。加速度傳感器校準(zhǔn)與認(rèn)知任務(wù)描述

加速度傳感器又稱為加速度計(jì)（AccelerationTransducer），是一種測量加速度的傳感器。20世紀(jì)40年代初，德國人研制了世界上第一個擺式加速計(jì)。隨后，由于航空、航天和航海領(lǐng)域?qū)T性測量元件的需求，出現(xiàn)了撓性、靜電、振梁式、電磁等加速度計(jì)，性能和精度都有了很大的提高。隨著激光、光纖傳感、微電子學(xué)和微制造等技術(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)80年代開始，先后出現(xiàn)了光纖、激光、微機(jī)械（MicroEelectronicMechanicalSystems，MEMS）等加速度計(jì)。MEMS是指集機(jī)械元素、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機(jī)電系統(tǒng)。本任務(wù)擬通過對一般工業(yè)用加速度傳感器特性調(diào)研來了解加速度傳感器的種類、工作原理和特性；通過PixHawk飛控中的加速度傳感器的校準(zhǔn)和功能測試來了解加速度傳感器在無人機(jī)飛行過程中所起的作用。民用無人機(jī)加速度傳感器一般都采用微機(jī)械加速度傳感器，這種加速度傳感器是集成在無人機(jī)飛控中的，無法用肉眼直接觀察到加速度傳感器的結(jié)構(gòu)，也無法購買到單一的微機(jī)械加速度傳感器。子任務(wù)一加速度傳感器特性調(diào)研任務(wù)實(shí)施1)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備電容式加速度傳感器。2)查閱資料，小組總結(jié)匯報(bào)電容式傳感器的種類、結(jié)構(gòu)和工作過程。3)查閱相關(guān)資料，收集加速度傳感器的種類、型號、特點(diǎn)、特性參數(shù)等資料，總結(jié)常用加速度傳感器的特性，填寫表2-1。子任務(wù)二PixHawk飛控加速度傳感器校準(zhǔn)和功能測試任務(wù)實(shí)施1)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備PixHawk飛控、串口線、地面站MissionPlanner軟件、電腦等。2)軟、硬件連接。3)機(jī)架布局選擇。4)加速度傳感器校準(zhǔn)。5)加速度傳感器功能測試。知識鏈接（1）線性電位器直線位移電位式傳感器一、電位器式加速度傳感器電位器式角度傳感器（2）非線性電位器只改變骨架寬度或高度，即實(shí)現(xiàn)非線性函數(shù)關(guān)系。

為保證強(qiáng)度，骨架的最小高度hmin>3~4mm；為了防止繞制時產(chǎn)生傾斜和打滑，也為了減小測量誤差，骨架側(cè)面坡度角應(yīng)小于30°。為減小坡度，可采用對稱骨架。（3）電位器式加速度傳感器的工程應(yīng)用二、電阻應(yīng)變式加速度傳感器1.電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)（1）絲式應(yīng)變片1-基底；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引線絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)它主要由四部分組成。①敏感柵。它是實(shí)現(xiàn)應(yīng)變與電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件。②基底和覆蓋層?；子糜诒３置舾袞?、引線的幾何形狀和相對位置。③黏結(jié)劑。它用于將覆蓋層和敏感柵固定于基底上。④引線。它是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。

絲式應(yīng)變片是將電阻絲繞制成敏感柵黏結(jié)在各種絕緣基底上而制成的，是一種常用的應(yīng)變片。（2）箔式應(yīng)變片它具有以下幾個主要優(yōu)點(diǎn)：①制造技術(shù)能保證敏感柵尺寸準(zhǔn)確、線條均勻，可以制成任意形狀以適應(yīng)不同的測量要求。②敏感柵薄而寬，黏結(jié)情況好，傳遞試件應(yīng)變性能好。③散熱性能好，允許通過較大的工作電流，從而可增大輸出信號。④敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略。⑤蠕變、機(jī)械滯后較小，疲勞壽命高。

箔式應(yīng)變片是利用照相制版或光刻腐蝕的方法，將電阻箔材在絕緣基底下制成各種圖形而成的應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片（3）薄膜應(yīng)變片

薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，其厚度在0.lμm以下。它采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，將電阻材料在基底上制成一層各種形式的敏感柵而形成應(yīng)變片。這種應(yīng)變片靈敏系數(shù)高，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是一種很有前途的新型應(yīng)變片。目前，實(shí)際使用中存在的主要問題是尚難控制其電阻與溫度和時間的變化關(guān)系。（4）半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是尺寸、橫向效應(yīng)、機(jī)械滯后都很小，靈敏系數(shù)極大，因而輸出信號也大，可以不需放大器直接與記錄儀器連接，使得測量系統(tǒng)簡化；缺點(diǎn)是電阻值和靈敏系數(shù)的強(qiáng)度穩(wěn)定性差，測量較大應(yīng)變時非線性嚴(yán)重，靈敏系數(shù)隨受拉或受壓而變化，且分散度大，一般在3%~5%之間，因而使測量結(jié)果有±（3~5）%的誤差。2.電阻的應(yīng)變效應(yīng)金屬絲受拉時，l,r如何變化，電阻R如何變化？一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：式中ρ——金屬絲的電阻率，單位Ω·m；L——金屬絲的長度，單位m；S——金屬絲的截面積，單位m2。如圖所示，當(dāng)金屬絲受到拉力F作用時，將伸長ΔL，橫截面積相應(yīng)減小ΔS，電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變Δρ，故引起電阻值相對變化量為：式中 ΔL/L——長度相對變化量，用應(yīng)變ε表示；

ΔS/S——圓形金屬絲的截面積相對變化量；

Δρ/ρ——圓形金屬絲的電阻率相對變化量。

(1)由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為：式中：μ—金屬絲材料的泊松比，負(fù)號表示與軸向應(yīng)變方向相反。

徑向應(yīng)變軸向應(yīng)變(2)將式（2）代入式（1）可得：

通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為金屬絲的靈敏度系數(shù)Ks。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量，其表達(dá)式為：(3)(4)由上式可知，因應(yīng)變導(dǎo)致金屬絲電阻值的變化，由兩項(xiàng)組成：第一項(xiàng)（1+2μ）表示由于幾何尺寸改變引起的電阻變化；另一項(xiàng)(Δρ/ρ)/ε表示單位軸向應(yīng)變引起電阻率的變化。對于大多數(shù)金屬材料電阻絲而言：因此，有

表明：加載后，金屬絲的電阻值隨著其軸向幾何尺寸變化（伸長或縮短）而發(fā)生相應(yīng)的變化。（a）應(yīng)變片及軸向受力圖

（b）應(yīng)變片的橫向效應(yīng)圖3.橫向效應(yīng)4.應(yīng)變片測量原理用儀器測出應(yīng)變片的電阻值變化△R，根據(jù)式得到被測對象的應(yīng)變值εx。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以得到應(yīng)力值σ。通過彈性敏感元件轉(zhuǎn)換作用，將位移、力、力矩、加速度、壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變5.測量電路1）直流電橋工作原理若電橋各橋臂電阻滿足條件R1R4=R2R3，則電橋的輸出電壓U0為0，電橋處于平衡狀態(tài)。2）電阻應(yīng)變片測量電橋初始條件為：

R1=R4=R2=R3=R應(yīng)變片單臂工作直流電橋②應(yīng)變片雙臂直流電橋（半橋）③應(yīng)變片直流全橋電路6.電阻應(yīng)變片的溫度誤差極其補(bǔ)償溫度變化所引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的變化幾乎處于相同的數(shù)量級。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素是：（1）應(yīng)變片的電阻絲具有一定的溫度系數(shù)；（2）電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片應(yīng)變片在溫度變化時電阻誤差為零的條件是即選擇合適的敏感柵材料，即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償。②雙絲組合式自償應(yīng)變片由兩種電阻溫度系數(shù)符號不同（一個為正，一個為負(fù)）的電阻絲材料組成。將兩者串聯(lián)繞制成敏感柵，若兩段敏感柵電阻R1和R2由于溫度變化而產(chǎn)生的電阻變化分別為△R1和△R2，且大小相等、符號相反，就可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。③橋式電路補(bǔ)償法④熱敏電阻補(bǔ)償三、壓阻式加速度傳感器1.壓阻效應(yīng)與壓阻系數(shù)半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。當(dāng)硅膜片承受外應(yīng)力時，同時產(chǎn)生縱向（擴(kuò)散電阻長度方向）壓阻效應(yīng)和橫向（擴(kuò)散電阻寬度方向）壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為2.測量原理3.溫度補(bǔ)償4.壓阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理（a）結(jié)構(gòu)示意圖

（b）擴(kuò)散有應(yīng)變計(jì)的硅梁1、8-慣性質(zhì)量；2-振動方向；3-電極；4-敏感元件；5、7-懸臂梁；6-基座；9-金屬化電路；10-擴(kuò)散應(yīng)變計(jì)懸臂梁壓阻式加速度傳感器（a）結(jié)構(gòu)示意圖

（b）原理圖閉環(huán)壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖1-硅梁組件；2-力矩器線圈；3-殼體；4-下磁路組建；5-插頭座；6-壓阻電橋；7-力矩器磁鋼四、電容式加速度傳感器1.變極距型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形式

由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為S、d或ε發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。電容器的結(jié)構(gòu)形式2.變極距型電容式傳感器的原理

若電容器極板間距離由初始值d0縮小了△d，電容量增大了△C，則有

當(dāng)傳感器的εr和S為常數(shù)，初始極距為d0時，由式(-39)可知其初始電容量C0為變極距型電容式傳感器

電容量與極板間距離的關(guān)系放置云母片的電容器云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為3kV/mm，因此有了云母片，極板問起始距離可大大減小。（1）差動式電容加速度傳感器3.變極距型電容式加速度傳感器的種類差動式電容傳感器優(yōu)點(diǎn)：1、差動電傳感器采用差動連接，能夠在機(jī)械位移很小時，輸出電變化內(nèi)量與機(jī)械線位移容有很好的線性關(guān)系，精度很高。2、由于電容極板間一般都是無機(jī)物，如空氣、石英等材料，不易受到強(qiáng)磁場干擾，穩(wěn)定性好。3、對于環(huán)境干擾，電磁吸引力、靜電引力有一定的補(bǔ)償作用，還能改善特性曲線的線性度。4、差動式電容傳感器的靈敏度比單極式提高一倍，而且非線性也大為減小，同時還能減小靜電引力給測量帶來的影響，并能有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差。（2）三明治式電容式MEMS加速度計(jì)目前，電容式MEMS加速度計(jì)產(chǎn)品較多，無人機(jī)上選用的電容式MEMS加速度計(jì)主要有飛思卡爾（Freescale）公司生產(chǎn)的MMA7260電容式加速度計(jì)，美國模擬器件公司（ADI）生產(chǎn)的加速度計(jì)ADXL系列等。在實(shí)際應(yīng)用中電容式加速度計(jì)較多地用于低頻測量，其通用性不如壓電式加速度計(jì)，且成本也比壓電式加速度計(jì)高得多。1.壓電效應(yīng)及壓電材料五、壓電式加速度傳感器壓電材料的主要特性參數(shù)有：①壓電常數(shù)：是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。②彈性常數(shù)（剛度）：決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。③介電常數(shù)：壓電元件的固有電容與之有關(guān)，而固有電容又影響著傳感器的頻率下限。④機(jī)電耦合系數(shù)：衡量壓電材料機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換效率，定義為輸出與輸入能量比值的平方根。⑤電阻：壓電材料的絕緣電阻將減小電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。⑥居里點(diǎn)溫度：它是指壓電材料開始喪失壓電溫度特性的溫度。表2-2常用壓電材料的性能參數(shù)壓電材料性能石英鈦酸鋇鋯鈦酸鉛PZT-4鋯鈦酸鉛PZT-5鋯鈦酸鉛PZT-8壓電系數(shù)（pC/N）d11=2.31d14=0.73d15=260d31=-78d33=190d15≈410d31=-100d33=230d15≈670d31=-185d33=600d15≈330d31=-90d33=200相對介電常數(shù)εr4.51200105021001000居里點(diǎn)溫度（℃）573115310260300密度（103kg/m3）2.625.57.457.57.45彈性模量（103N/m2）8011083.3117123機(jī)械品質(zhì)因數(shù)105~106

≥50080≥800最大安全應(yīng)力（105N/m2）95~10081767683體積電阻率（?·m）>10121010（25℃）>10101011（25℃）

最高允許溫度（℃）55080250250

最高允許濕度（%）100100100100

（1）石英晶體壓電元件受力后，表面電荷與外力成正比關(guān)系，即單晶體SiO2六面體（a）晶體外形

（b）切割方向

（c）晶片晶片的制作（a）不受力

（b）x軸受力

（c）y軸受力石英晶體壓電模型（2）壓電陶瓷壓電陶瓷的極化材料

最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT系列），它是由鈦酸鉛（PbTiO3）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的Pb(ZrTi)O3。

它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。

（3）新型壓電材料1）壓電半導(dǎo)體既具有壓電特性，又具有半導(dǎo)體特性。2）有機(jī)高分子壓電材料PVFPVDFPVCPMC尼龍Ⅱ其一，是某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性的高分子壓電薄膜，如聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氯乙烯（PVC）、聚γ甲基-L谷氨酸脂（PMC）和尼龍Ⅱ等。這些材料的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕柔軟，抗拉強(qiáng)度較高、耐沖擊，體電阻達(dá)1022?·m，擊穿強(qiáng)度為150~200kV/mm，聲阻抗近于水和生物體含水組織，熱釋電性和熱穩(wěn)定性好，且便于批量生產(chǎn)和大面積使用，可制成大面積陣列傳感器乃至人工皮膚。其二，是高分子化合物中摻雜壓電陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜。這種復(fù)合壓電材料同樣既保持了高分子壓電薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電性和機(jī)電耦合系數(shù)。2.壓電式傳感器壓電材料壓電效應(yīng)電信號并聯(lián)串聯(lián)壓電元件連接方式（1）壓電式傳感器等效電路（a）壓電等效電路

（b）電荷等效電路壓電元件等效電路壓電元件實(shí)際上是一個有源電容器壓電式傳感器實(shí)際等效電路（2）壓電式傳感器測量電路前置放大器一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。1）電壓放大器（阻抗變換器）（a）放大器電路

（b）輸入端簡化等效電路電壓放大器電路原理及其等效電路2）電荷放大器

電荷