无人机传感器与检测技术课件：加速度传感器认知与校准

无人机飞行控制传感器认知与功能测试项目描述无人机飞行控制系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，它能够稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机自主或半自主飞行，是无人机的大脑。无人机飞控系统的传感器将无人机的飞行姿态等动态信息采集并输出给计算机，经计算机处理后输出给执行机构，从而控制无人机的飞行姿态，并保持无人机的稳定。本项目拟通过加速度传感器特性调研和PixHawk飞控中的加速度传感器校准、六轴IMU传感器模块特性调研和PixHawk飞控中的陀螺仪功能测试、九轴IMU传感器模块特性调研和PixHawk飞控中的电子罗盘校准、数字气压高度传感器特性调研和使用MPU6050六轴传感器模块功能测试等工作任务，增强学习者规范操作、团队协作意识，让学习者认识加速度计、陀螺、电子罗盘、气压高度计等传感器，让学生会使用传感器模块测量物体运动的加速度、角速度等参数。。加速度传感器校准与认知任务描述

加速度传感器又称为加速度计（AccelerationTransducer），是一种测量加速度的传感器。20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一个摆式加速计。随后，由于航空、航天和航海领域对惯性测量元件的需求，出现了挠性、静电、振梁式、电磁等加速度计，性能和精度都有了很大的提高。随着激光、光纤传感、微电子学和微制造等技术的发展，从20世纪80年代开始，先后出现了光纤、激光、微机械（MicroEelectronicMechanicalSystems，MEMS）等加速度计。MEMS是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。本任务拟通过对一般工业用加速度传感器特性调研来了解加速度传感器的种类、工作原理和特性；通过PixHawk飞控中的加速度传感器的校准和功能测试来了解加速度传感器在无人机飞行过程中所起的作用。民用无人机加速度传感器一般都采用微机械加速度传感器，这种加速度传感器是集成在无人机飞控中的，无法用肉眼直接观察到加速度传感器的结构，也无法购买到单一的微机械加速度传感器。子任务一加速度传感器特性调研任务实施1)实验室准备电容式加速度传感器。2)查阅资料，小组总结汇报电容式传感器的种类、结构和工作过程。3)查阅相关资料，收集加速度传感器的种类、型号、特点、特性参数等资料，总结常用加速度传感器的特性，填写表2-1。子任务二PixHawk飞控加速度传感器校准和功能测试任务实施1)实验室准备PixHawk飞控、串口线、地面站MissionPlanner软件、电脑等。2)软、硬件连接。3)机架布局选择。4)加速度传感器校准。5)加速度传感器功能测试。知识链接（1）线性电位器直线位移电位式传感器一、电位器式加速度传感器电位器式角度传感器（2）非线性电位器只改变骨架宽度或高度，即实现非线性函数关系。

为保证强度，骨架的最小高度hmin>3~4mm；为了防止绕制时产生倾斜和打滑，也为了减小测量误差，骨架侧面坡度角应小于30°。为减小坡度，可采用对称骨架。（3）电位器式加速度传感器的工程应用二、电阻应变式加速度传感器1.电阻应变片的种类与结构（1）丝式应变片1-基底；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引线丝式应变片的结构它主要由四部分组成。①敏感栅。它是实现应变与电阻转换的敏感元件。②基底和覆盖层。基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置。③黏结剂。它用于将覆盖层和敏感栅固定于基底上。④引线。它是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。

丝式应变片是将电阻丝绕制成敏感栅黏结在各种绝缘基底上而制成的，是一种常用的应变片。（2）箔式应变片它具有以下几个主要优点：①制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求。②敏感栅薄而宽，黏结情况好，传递试件应变性能好。③散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而可增大输出信号。④敏感栅弯头横向效应可以忽略。⑤蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。

箔式应变片是利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材在绝缘基底下制成各种图形而成的应变片。箔式应变片（3）薄膜应变片

薄膜应变片是薄膜技术发展的产物，其厚度在0.lµm以下。它采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式的敏感栅而形成应变片。这种应变片灵敏系数高，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应变片。目前，实际使用中存在的主要问题是尚难控制其电阻与温度和时间的变化关系。（4）半导体应变片

半导体应变片的优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大，因而输出信号也大，可以不需放大器直接与记录仪器连接，使得测量系统简化；缺点是电阻值和灵敏系数的强度稳定性差，测量较大应变时非线性严重，灵敏系数随受拉或受压而变化，且分散度大，一般在3%~5%之间，因而使测量结果有±（3~5）%的误差。2.电阻的应变效应金属丝受拉时，l,r如何变化，电阻R如何变化？一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：式中ρ——金属丝的电阻率，单位Ω·m；L——金属丝的长度，单位m；S——金属丝的截面积，单位m2。如图所示，当金属丝受到拉力F作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔS，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ，故引起电阻值相对变化量为：式中 ΔL/L——长度相对变化量，用应变ε表示；

ΔS/S——圆形金属丝的截面积相对变化量；

Δρ/ρ——圆形金属丝的电阻率相对变化量。

(1)由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为：式中：μ—金属丝材料的泊松比，负号表示与轴向应变方向相反。

径向应变轴向应变(2)将式（2）代入式（1）可得：

通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属丝的灵敏度系数Ks。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为：(3)(4)由上式可知，因应变导致金属丝电阻值的变化，由两项组成：第一项（1+2μ）表示由于几何尺寸改变引起的电阻变化；另一项(Δρ/ρ)/ε表示单位轴向应变引起电阻率的变化。对于大多数金属材料电阻丝而言：因此，有

表明：加载后，金属丝的电阻值随着其轴向几何尺寸变化（伸长或缩短）而发生相应的变化。（a）应变片及轴向受力图

（b）应变片的横向效应图3.横向效应4.应变片测量原理用仪器测出应变片的电阻值变化△R，根据式得到被测对象的应变值εx。根据应力-应变关系可以得到应力值σ。通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变5.测量电路1）直流电桥工作原理若电桥各桥臂电阻满足条件R1R4=R2R3，则电桥的输出电压U0为0，电桥处于平衡状态。2）电阻应变片测量电桥初始条件为：

R1=R4=R2=R3=R应变片单臂工作直流电桥②应变片双臂直流电桥（半桥）③应变片直流全桥电路6.电阻应变片的温度误差极其补偿温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的变化几乎处于相同的数量级。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素是：（1）应变片的电阻丝具有一定的温度系数；（2）电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。单丝自补偿应变片应变片在温度变化时电阻误差为零的条件是即选择合适的敏感栅材料，即可达到温度自补偿。②双丝组合式自偿应变片由两种电阻温度系数符号不同（一个为正，一个为负）的电阻丝材料组成。将两者串联绕制成敏感栅，若两段敏感栅电阻R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化分别为△R1和△R2，且大小相等、符号相反，就可实现温度补偿。③桥式电路补偿法④热敏电阻补偿三、压阻式加速度传感器1.压阻效应与压阻系数半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。当硅膜片承受外应力时，同时产生纵向（扩散电阻长度方向）压阻效应和横向（扩散电阻宽度方向）压阻效应，半导体应变片的灵敏系数为2.测量原理3.温度补偿4.压阻式加速度传感器的结构与工作原理（a）结构示意图

（b）扩散有应变计的硅梁1、8-惯性质量；2-振动方向；3-电极；4-敏感元件；5、7-悬臂梁；6-基座；9-金属化电路；10-扩散应变计悬臂梁压阻式加速度传感器（a）结构示意图

（b）原理图闭环压阻式加速度传感器结构图1-硅梁组件；2-力矩器线圈；3-壳体；4-下磁路组建；5-插头座；6-压阻电桥；7-力矩器磁钢四、电容式加速度传感器1.变极距型电容式传感器的结构形式

由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。电容器的结构形式2.变极距型电容式传感器的原理

若电容器极板间距离由初始值d0缩小了△d，电容量增大了△C，则有

当传感器的εr和S为常数，初始极距为d0时，由式(-39)可知其初始电容量C0为变极距型电容式传感器

电容量与极板间距离的关系放置云母片的电容器云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/mm，因此有了云母片，极板问起始距离可大大减小。（1）差动式电容加速度传感器3.变极距型电容式加速度传感器的种类差动式电容传感器优点：1、差动电传感器采用差动连接，能够在机械位移很小时，输出电变化内量与机械线位移容有很好的线性关系，精度很高。2、由于电容极板间一般都是无机物，如空气、石英等材料，不易受到强磁场干扰，稳定性好。3、对于环境干扰，电磁吸引力、静电引力有一定的补偿作用，还能改善特性曲线的线性度。4、差动式电容传感器的灵敏度比单极式提高一倍，而且非线性也大为减小，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差。（2）三明治式电容式MEMS加速度计目前，电容式MEMS加速度计产品较多，无人机上选用的电容式MEMS加速度计主要有飞思卡尔（Freescale）公司生产的MMA7260电容式加速度计，美国模拟器件公司（ADI）生产的加速度计ADXL系列等。在实际应用中电容式加速度计较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度计，且成本也比压电式加速度计高得多。1.压电效应及压电材料五、压电式加速度传感器压电材料的主要特性参数有：①压电常数：是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出灵敏度。②弹性常数（刚度）：决定着压电器件的固有频率和动态特性。③介电常数：压电元件的固有电容与之有关，而固有电容又影响着传感器的频率下限。④机电耦合系数：衡量压电材料机电能量的转换效率，定义为输出与输入能量比值的平方根。⑤电阻：压电材料的绝缘电阻将减小电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。⑥居里点温度：它是指压电材料开始丧失压电温度特性的温度。表2-2常用压电材料的性能参数压电材料性能石英钛酸钡锆钛酸铅PZT-4锆钛酸铅PZT-5锆钛酸铅PZT-8压电系数（pC/N）d11=2.31d14=0.73d15=260d31=-78d33=190d15≈410d31=-100d33=230d15≈670d31=-185d33=600d15≈330d31=-90d33=200相对介电常数εr4.51200105021001000居里点温度（℃）573115310260300密度（103kg/m3）2.625.57.457.57.45弹性模量（103N/m2）8011083.3117123机械品质因数105~106

≥50080≥800最大安全应力（105N/m2）95~10081767683体积电阻率（Ω·m）>10121010（25℃）>10101011（25℃）

最高允许温度（℃）55080250250

最高允许湿度（%）100100100100

（1）石英晶体压电元件受力后，表面电荷与外力成正比关系，即单晶体SiO2六面体（a）晶体外形

（b）切割方向

（c）晶片晶片的制作（a）不受力

（b）x轴受力

（c）y轴受力石英晶体压电模型（2）压电陶瓷压电陶瓷的极化材料

最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列），它是由钛酸铅（PbTiO3）和锆酸铅（PbZrO3）组成的Pb(ZrTi)O3。

它有较高的压电系数和较高的工作温度。

（3）新型压电材料1）压电半导体既具有压电特性，又具有半导体特性。2）有机高分子压电材料PVFPVDFPVCPMC尼龙Ⅱ其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性的高分子压电薄膜，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）和尼龙Ⅱ等。这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度较高、耐冲击，体电阻达1022Ω·m，击穿强度为150~200kV/mm，声阻抗近于水和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批量生产和大面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。其二，是高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子压电薄膜。这种复合压电材料同样既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电性和机电耦合系数。2.压电式传感器压电材料压电效应电信号并联串联压电元件连接方式（1）压电式传感器等效电路（a）压电等效电路

（b）电荷等效电路压电元件等效电路压电元件实际上是一个有源电容器压电式传感器实际等效电路（2）压电式传感器测量电路前置放大器一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。1）电压放大器（阻抗变换器）（a）放大器电路

（b）输入端简化等效电路电压放大器电路原理及其等效电路2）电荷放大器

电荷