基于MEMS传感技术的空间位移测量传感器的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，特别是指一种基于MEMS传感技术的空间位移测量传感器。

背景技术：

目前，在隧道、基坑、桥梁、边坡的变形监控量测中主要有如下M1、M2两种技术方案，以下主要介绍这两种技术方案的基本原理及存在的缺陷：

第一种：M1-人工测量：

人工测量主要采用全站仪配合棱镜量测目标体的平面位移，采用水准仪配合铟钢尺量测目标体的竖向位移；

M1方案主要基于工程测量学中的平面位置测量及高程测量原理，具有较为严密的数学理论依据，但同时也存在如下几点缺陷：

1.工作量大，耗费人工；通常一个测组需要配置2～3名专业测量人员，需要经历设站、瞄准、测量、外业记录、内业整理计算等一套流程之后方能得出量测成果。

2.费用高，经济效益差；由于测量工作量大且耗费人工，一个大型的测量项目往往需要配置多组测量工程师，历经数月方能完成，故该方案费用高，经济效益差。

3.数据取样频率低，受环境影响显著；由于采用光学测量方法，按照设定的测量线路方能完成目标体的测量工作，所以数据取样频率非常低，且需要目标体无遮挡的情况下方能完成测量工作，常常受到目标体周边环境的影响或施工的干扰无法完成测量工作

4.测量工作易出错；由于M1方案需要专业的工程测量人员方能实施，测量过程必须严格按照流程实施，由于流程较为复杂，测量人员的一个小细节错误将会导致测量线路中某个节点甚至真个测量线路的数据无效。

5.只能进行目标体表面位移的测量，无法量测目标体内部的位移情况。

第二种：M2-传感器测量：

目前通用的位移传感器主要为振弦式位移传感器，以M2方案常用的振弦式位移计为例，振弦式位移传感器由位移传动杆、传动弹簧、钢弦、电测线圈、钢弦支架、导向环、内外保护套筒、两端连接拉杆和万向节等组成。当位移计两端伸长或压缩时，传动弹簧使得钢弦处于张拉或松弛状态，此时钢弦频率产生变化，受拉时频率增高，受压时频率降低；由于位移与频率的平方差呈线性关系，因此，当测出位移后的频率，即可按照下式算出被测体的位移量。

d_t＝K(f₀²—f_t²)

式中d_t为某时刻的位移量；K为灵敏度系数；f₀为初始钢弦频率；f_t为t时刻钢弦频率。

该方案具有如下缺陷：

1.精度不高；由于振弦式位移计采用机械构件传递位移进而影响钢弦的频率，物理量在传递过程中受机械构件及钢弦按照精度的影响较大，同时温度对该种传感器的非线性影响较为显著，故从应用效果上来看精度不高。

2.只能量测某一方向上的位移；该种传感器只能量测传感器轴线上的位移值，即为传感器的安装方向，而该方向无法精度定位，这与目标体具有的空间三维变形特征不相符合。

3.应用范围窄；该位移计的量测原理决定了其必须将传感器底部连接到基准点(即为不动点)才能量测目标体的相对位移，为寻求传感器的稳定基准点，常常需采用深钻孔的方法将传感器采用刚性杆连接到到岩土层深处，且大部分情况下无法找到稳定的基准点或干扰施工，故其应用范围窄，例如：

<1>进行隧道净空量测时若采用该传感器则直接干扰施工，无法爱实施；

<2>采用该传感器进行隧道周边岩土层位移量测时，则需要采用风炮钻孔至稳定岩土层才能获得基准点，而这个钻孔深度一般为2～3倍的隧道洞径，深度非常大，一般也不采用。

因此，有必要设计一种新的基于MEMS传感技术的空间位移测量传感器，以解决上述技术问题。

技术实现要素：

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于MEMS传感技术的空间位移测量传感器，结构简单,使用方便,测量准确。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于MEMS传感技术的空间位移测量传感器，包括单片机控制单元，分别与单片机控制单元连接的MEMS加速度计和MEMS陀螺仪，以及通过通讯模块与单片机控制单元连接的上位计算机，所述单片机控制单元连接设有存储单元、电源模块、复位电路和时钟单元，所述电源模块与时钟单元连接，其中，所述MEMS加速度计用于采集被测物体加速度随时间的变化过程；所述MEMS陀螺仪用于采集被测物体的平面方位角；所述存储单元用于存储MEMS加速度和MEMS陀螺仪采集到的数据；所述单片机控制单元用于控制MEMS加速度计和MEMS陀螺仪对被测物体的信号采集以及从存储单元中取出数据计算位移值并存储在存储单元内。

在上述技术方案中，所述MEMS加速度计的灵敏度为2x 10^-3m/s^-2～2x10^-5m/s^-2。

在上述技术方案中，所述MEMS加速度计的采集频率为10次/秒～60次/秒。

在上述技术方案中，所述MEMS陀螺仪的采集频率与MEMS加速度计的采集频率一样。

在上述技术方案中，所述通讯模块支持串行RS-232/RS-485、3G/4G通讯模式。

在上述技术方案中，所述存储单元内置设有ROM、RAM两部分。

在上述技术方案中，所述电源模块具有UPS功能，能在断电情况下维持系统72小时的运行。

本发明基于MEMS传感技术的空间位移测量传感器，由时钟单元、单片机控制单元、复位电路、MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、电源模块、通讯模块及存储单元组成。在单片机控制单元的作用下完成被测信号的采集、滤波、计算、存储功能。系统按照单片机控制单元设置的采样频率完成信号的采集、滤波及计算，并将计算成果进行存储，上位计算机通过串行通信或4g无线通信与控制器实现交互。如此，达到结构简单,使用方便,测量准确的有益效果。

附图说明

图1为基于MEMS传感技术的空间位移测量传感器结构框图；

图2为计算原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所述的一种基于MEMS传感技术的空间位移测量传感器，包括单片机控制单元1、MEMS加速度计2、MEMS陀螺仪3、通讯模块4、上位计算机5、存储单元6、电源模块7、复位电路8和时钟单元9。

其中，MEMS加速度计2和MEMS陀螺仪3分别与单片机控制单元1连接，单片机控制单元1用于控制MEMS加速度计2和MEMS陀螺仪3对被测物体的信号采集；MEMS加速度计2为信号敏感元件之一，其灵敏度为2x 10^-3m/s^-2～2x10^-5m/s^-2，用于采集被测物体加速度随时间的变化过程，采集频率为10次/秒～60次/秒；MEMS陀螺仪3也为信号敏感元件之一，用来采集被测物体的平面方位角，采集频率同MEMS加速度计的采集频率一样。

上位计算机5通过通讯模块4与单片机控制单元4连接，其中，通讯模块4支持串行RS-232/RS-485、3G/4G通讯模式，负责上位计算机5指令的传送，并采集数据(信号、物理量)向计算机5的传输。

单片机控制单元1连接设置存储单元6、电源模块7、复位电路8和时钟单元9，电源模块7与时钟单元9连接，其中，存储单元6用于存储MEMS加速度2和MEMS陀螺仪3采集到的数据。由于采集到的信号是：“加速度”、“平面方位角”、“天顶距”、“时间”，存储单元6需要不断存储这些信号、时间数据，以便单片机控制单元1定时从存储单元6中取出这些数据来对时间积分计算位移值，同时计算出来的位移值也要存储到存储单元6中；因此，存储单元6需要配置较大容量的内置ROM、RAM两部分。

电源模块7一方面保证系统在市电供电条件下运行，同时还具有UPS功能，保证断电情况下可维持系统72小时的运行；复位电路8和时钟单元9是与单片机直接相关的连接单元，也是组成单片机最基本的部分，在此，不对复位电路8和时钟单元9做特别的限定和描述。

本发明基于MEMS传感技术的空间位移测量传感器，集成了MEMS加速度计及MEMS陀螺仪，通过对时间-加速度曲线的二次积分来计算测点的空间位移。为了提高本系统的量测精度，通过传感器的高频率采样以获取空间点微小时间间隔△t的三向加速度α、方位角θ、天顶距φ，通过内置MCU计算输出测点的变形值。以每秒2次数据的数据采集频率为例，详细阐述本系统的变形测量原理。

若传感器出厂时标定绝对N(X)向和H(Z)，则其输出的方位角则为绝对方位角和绝对天顶距，则本系统计算输出的则为绝对坐标系下的位移矢量值。

如图2所示，点A(传感器质心)在2个时间周期内在三维空间内完成两次加速运动，所耗费的时间为Δt(采样周期)，矢量为第1次加速运动，其加速度为(a_1X、a_1Y、a_1Z)，矢量为第2次匀加速运动，其加速度为(a_2X、a_2Y、a_2Z)。

图中矢量为空间运动轨迹矢量在平面NAE(水平面)上的投影，矢量为空间运动轨迹矢量在平面NAE(水平面)上的投影。

假定：①A的初始速度为0(为方便阐述)；②A点的初始方位角为θ₁(该方位角由传感器陀螺仪模块量测并输出)，初始天顶距为Φ₁；③运动到B点后，传感器方位角为θ₂，其天顶距为Φ₂；

定义矢量在三个坐标轴方向上的分量为

定义矢量在三个坐标轴方向上的分量为

则可定义，矢量在三个坐标轴方向上的分量为

则传感器在时间周期上的位移即为矢量的长度，可用式(1)计算：

式(1)

式(1)中分量可采用式(2)～(4)计算：

式(2)

式(3)

式(4)

式(2)～(4)中6个分量可由下式算得：

即：

若采样时间足够小，即Δt足够小时，可认为为常量，则6个分量可通过下式(5)～(10)计算获得：

式(5)

式(6)

式(7)

式(8)

式(9)

式(10)

将以上式(1)～式(10)所示的计算原理扩展到T＝n xΔt的时间范围，则可计算出传感器空间移动轨迹中任意时刻T的绝对位移量。

本发明基于MEMS传感技术的空间位移测量传感器，具有以下有益效果：

1.DSM位移传感器的基本测量原理为牛顿第二定律及加速度定义公式，将时间轴充分离散积分，数学原理非常严密，这是目前其它传感器所必能比拟的，这为高精度的位移测量奠定了理论基础。

2.DSM位移传感基于加速度对时间的积分来计算位移值，可用于3向(X/Y/Z)位移测量；而弦式位移传感器只能测量单个方向的位移，且位移测量方向无法精确确定。

3.相比于人工采用光学仪器进行3向位移测量，DSM位移传感器不受通视条件限制，不干扰施工，且由于其尺寸小、重量轻，使得其应用受空间、环境制约小，且安装过程中无需钻孔等负责的辅助安装措施。

4.量测不受传感器自身的限制，可用于大变形的测量，这是目前其它位移传感器所达不到的(目前其它位移传感器只能用于小变形测量)。

5.量测精度高，DSM传感器集成微陀螺仪，测量传感器运动过程中的方位，对所测位移进行旋轴修正，以得到确定基准轴向的三向位移值。

6.温度效应好；采用的加速度、陀螺仪元件具有较好稳定性及温度效应，传感器稳定性好，而振弦式位移传感器则受温飘影响较大。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。