专利名称：具有温度自补偿抗振动干扰的高精度mems无线倾角传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于微机械系统(MEMS)、无线传感器网络(WSN)和倾角测量技术领域，具体涉及一种具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器。
背景技术：
与传统倾角传感器相比，MEMS倾角传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势，极大地促进了倾角传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。随着WSN技术的不断发展，无线传感器网络具有布局灵活、结构易变、生命力较强等特点。近年来，在环境监测、工矿监控等领域得到了广泛的应用。将MEMS技术和无线传感器网络技术相结合，用于环境安全健康检测，已经成为世界范围内土木工程领域研究的前沿方向。由于环境中存在温度变化和振动扰动等因素，而在目前还没有一种有效结合微机械系统(MEMS)和无线传感器网络(WSN)技术，并实现行温度补偿、滤波和抗干扰处理的具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器。
发明内容本实用新型的目的是提供一种具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器，通过无线网络传输数据，实现体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高和便于安装的优点。本实用新型要解决的是传感器安装缺少灵活、准确、有效监测的问题。为实现上述目的，本实用新型提出的具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器，包括其包括电源模块1、稳压模块2、MEMS倾角传感模块3、温度传感器4、微处理器5、A/D转换模块6和无线收发模块7。其中:稳压模块2的输出端连接MEMS倾角传感模块3的输入端，MEMS倾角传感模块3的输出端连接A/D转换模块6的输入端，A/D转换模块6的输出端连接微处理器5,温度传感器4的输出端连接微处理器5,微处理器5与无线收发模块7双向连接；稳压模块2、温度传感器4、微处理器5、A/D转换模块6、无线收发模块7分别连接电源模块I。本实用新型中，所述高精度MEMS无线倾角传感器组合使用，高精度MEMS无线倾角传感器通过无线收发模块7进行无线连接。本实用新型中，所述电源模块I用于稳压模块2、温度传感器4、微处理器5、A/D转换模块6和无线收发模块7供电。本实用新型中，所述稳压模块2用于输出高精度稳定电压为MEMS倾角传感模块3供电，采用高精度的稳压芯片保证输出电压压差不超过±20mV为MEMS倾角传感模块供电。本实用新型中，所述MEMS倾角传感模块3用于检测被测物体形变的倾角信息，采用体积小、功耗低、便于安装高精度MEMS的倾角测量芯片。[0011 ] 本实用新型中，所述温度传感器4用于监测环境温度，采用高分辨率温度传感器，实时监测倾角传感器所在点的温度实现对倾角传感器的温度补偿提供温度信息。本实用新型中，所述微处理器5用于对MEMS倾角传感模块3的倾角信息进行滤波处理，采用数字滤波器去除振动噪声，保证MEMS倾角传感模块3的信息准确性，通过提取温度传感器4生成的温度信息进行温度补偿，打包高精度的倾角信息生成数据帧信号，并将数据信息提供无线收发模块7。本实用新型中，所述A/D转换模块6用于将MEMS倾角传感模块输出的模拟信号转换成数字信号传送到微处理器5，采用16或24位A/D芯片保证MEMS倾角传感模块的高分辨率。本实用新型中，所述无线收发模块7用于通过无线网络无线传输微处理器5已经处理的数据。所述数据帧信号的数据结构包括:数据头字段、节点编号字段、数据字段、校验字段和数据尾字段。由所述具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器组成的测量系统:包括至少一个无线接收节点，至少一个发送节点和计算机终端；无线发送节点至少包括电源模块1、稳压模块2、MEMS倾角传感模块3、温度传感器4、微处理器5、A/D转换模块6和无线收发模块7。无线接收节点至少包括电源模块1、微处理器5和无线收发模块7。本实用新型对所述传感器进行温度补偿、滤波和抗干扰处理，使其达到高精度的测量要求，并用无线网络进行数据传输，实现对倾角的准确、有效地实时监测。

图1为基于具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器的测量系统应用场景示意图。图2为具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器的倾斜姿态示意图。图3为具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器的硬件结构图。图4为具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器的节点程序流程图。其中:(a)为接收节点的程序流程图，(b)为发送节点的程序流程图。图中标号:I为电源模块，2为稳压模块，3为MEMS倾角传感模块，4为温度传感器，5为微处理器，6为A/D转换模块，7为无线收发模块。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。实施例1:如图1所示，本实用新型的高精度MEMS无线倾角传感器安装被测物体的不同部位；5个高精度MEMS无线倾角传感器A、B、C、D、E之间通过无线网络无线传输数据，并通过无线接收节点汇聚发送过来的数据信息并上传到计算机终端,组成高精度MEMS无线倾角传感器测量系统。高精度MEMS无线倾角传感器可以实时测量各部位的倾斜角度和形变；高精度MEMS无线倾角传感器内进行滤波、抗干扰处理和温度补偿，去除振动噪声和温度的影响，使其达到高精度的测量要求；使用无线网络进行数据传输，简化了布线的要求，更加适合复杂的环境，实现对倾角变化的准确、有效地实时监测。高精度MEMS无线倾角传感器用于检测所放置平面的两个轴向倾斜程度，如图2所示，当倾角检测芯片处于平衡状态时，其X轴Y轴与水平方向成0°，与重力加速度方向成90°。当倾角传感器发生倾斜时，根据重力加速度在倾角检测芯片两个灵敏轴上不同的分量，倾角传感器输出不同的倾角信息，通过数据处理，得到传感器的倾斜角度。在本实例中，两轴的倾斜角度介于±30°之间，倾角检测芯片的输出为模拟电压信号，根据角度的不同而输出0.5V^4.5V不等的电压。高精度MEMS无线倾角传感器电源模块1、稳压模块2、MEMS倾角传感模块3、温度传感器4、微处理器5、A/D转换模块6和无线收发模块7，如图3所示。电源模块I用于稳压模块2、温度传感器4、微处理器5、A/D转换模块6和无线收发模块7供电；稳压模块2输出高精度电压为MEMS倾角传感模块3供电；MEMS倾角传感模块3监测被测物体的变形输出模拟信号，通过A/D转换模块6转换成数字信号传送到微处理器；温度传感器4负责监测被测物体所在的环境温度信息并传送给微处理器5用于补偿倾角传感器所受温度影响；微处理器5具有数据处理，实现倾角数据的温度补偿、滤波和抗干扰处理，并将处理好的数据传送给无线收发模块7 ;无线收发模块7负责利用无线网络进行数据的无线传输。本实用新型的高精度MEMS无线倾角传感器的微处理器5具有温度补偿、数字滤波去干扰和数据打包的功能。微处理器通过采用数字滤波器的方法，去除振动噪声，保证倾角传感器信息的准确性；通过提取温度传感器生成的温度信息对倾角信息进行温度补偿，并将数据打包，生成数据帧信号提供给无线收发模块。温度传感器4可以采用高分辨率数字式温度传感器，实时监测倾角传感器所在点的温度，为微处理器实现对MEMS倾角传感模块的温度补偿提供温度信息。相邻的高精度MEMS无线倾角传感器的无线收发模块7之间的通信方式为:无线网络协议；本发明涉及的数据帧信号的数据结构包括——数据头字段:用于标定所述数据信息的起始；节点编号字段 :用于标定所述倾角传感器节点的编号；数据字段:用于承载倾角信息和温度信息；校验字段:用于校验发送数据是否正确；数据尾字段:用于标定所述数据信息的结束。本实用新型的高精度MEMS无线倾角传感器的工作步骤为:整个结构由电源模块I供电。电源模块I经过稳压模块2的高精度稳压芯片后，给MEMS倾角传感模块3供电，保证其输出的准确性。通过MEMS倾角传感模块3测量被测物体的姿态变化，输出模拟电压信号。模拟电压信号经过16位或24位高分辨率的A/D转换模块6转换成数字信号，提供给微处理器5。高分辨率数字温度传感器4实时监测倾角传感器所在点的温度，同时将温度信息提供给微处理器5。微处理器5采用数字滤波器方法，去除振动噪声，保证倾角传感器信息的准确性；并通过提取温度传感器生成的温度信息对倾角信息进行温度补偿，以一定格式生成数据帧信号提供给无线收发模块7。本实用新型中，由所述具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器组成的测量系统:包括至少一个无线接收节点，至少一个发送节点和计算机终端；无线发送节点至少包括电源模块1、稳压模块2、MEMS倾角传感模块3、温度传感器4、微处理器
5、A/D转换模块6和无线收发模块7。无线接收节点至少包括电源模块1、微处理器5和无线收发模块7。如图4所示，本实用新型中由高精度MEMS无线倾角传感器组成的倾角测量系统软件流程为:无线接收节点经过上电初始化后，无线接收节点负责先建立无线网络，在建立网络成功后，允许其他节点加入该网络。随后等待计算机终端发送接收指令，当收到指令后，侦听有无无线发送节点发送数据，如果有则开始接收数据，没有则继续侦听等待。在接收到数据之后，可通过串口将数据传送给计算机终端。无线发送节点初始化之后，加载A/D转换模块和温度传感器数据传送的总线驱动，然后开始加入无线网络。成功加入无线网络后，开始先由MEMS倾角传感模块和温度传感器定时采集倾角信息和温度信息，经由微处理器模块进行滤波、温度补偿和数据打包的数据处理，通过无线收发模块，将数据包传送给无线接收节点；发送完成后开始进入休眠状态，然后等待定时器唤醒，继续定时采集倾角信息和温度信息。上述实施例为本实用新型较佳的优选实施而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器，其特征在于包括电源模块(I)、稳压模块(2)、MEMS倾角传感模块(3)、温度传感器(4)、微处理器(5)、A/D转换模块(6)和无线收发模块(7)，其中:稳压模块(2)的输出端连接MEMS倾角传感模块(3)的输入端，MEMS倾角传感模块(3)的输出端连接A/D转换模块￠)的输入端，A/D转换模块出)的输出端连接微处理器(5)，温度传感器(4)的输出端连接微处理器(5)，微处理器(5)与无线收发模块(7)双向连接；稳压模块(2)、温度传感器(4)、微处理器(5)、A/D转换模块(6)、无线收发模块7分别连接电源模块(I)。
2.根据权利要求1所述的具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器，其特征在于所述高精度MEMS无线倾角传感器组合使用，高精度MEMS无线倾角传感器通过无线收发模块(7) 进行无线连接。
专利摘要本实用新型涉及一种具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器，通过无线网络传输数据，充分结合微机械系统(MEMS)和无线传感器网络(WSN)两种技术，实现传感器体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高和便于安装的优点。包括电源模块、稳压模块、MEMS倾角传感模块、温度传感器、微处理器、A/D转换模块和无线收发模块。传感器完成温度补偿、滤波和抗干扰处理的功能，使其达到高精度的测量要求，并用无线网络进行数据传输。
文档编号G01C9/00GK203024766SQ20122066038
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者何斌, 纪云, 黄宏伟, 沈润杰, 蔡蜜, 李刚, 魏倩 申请人:同济大学