基于MEMS傳感技術的空間位移測量傳感器的制作方法
本發明涉及傳感器技術領域，特別是指一種基于MEMS傳感技術的空間位移測量傳感器。
背景技術：
目前，在隧道、基坑、橋梁、邊坡的變形監控量測中主要有如下M1、M2兩種技術方案，以下主要介紹這兩種技術方案的基本原理及存在的缺陷：
第一種：M1-人工測量：
人工測量主要采用全站儀配合棱鏡量測目標體的平面位移，采用水準儀配合銦鋼尺量測目標體的豎向位移；
M1方案主要基于工程測量學中的平面位置測量及高程測量原理，具有較為嚴密的數學理論依據，但同時也存在如下幾點缺陷：
1.工作量大，耗費人工；通常一個測組需要配置2～3名專業測量人員，需要經歷設站、瞄準、測量、外業記錄、內業整理計算等一套流程之后方能得出量測成果。
2.費用高，經濟效益差；由于測量工作量大且耗費人工，一個大型的測量項目往往需要配置多組測量工程師，歷經數月方能完成，故該方案費用高，經濟效益差。
3.數據取樣頻率低，受環境影響顯著；由于采用光學測量方法，按照設定的測量線路方能完成目標體的測量工作，所以數據取樣頻率非常低，且需要目標體無遮擋的情況下方能完成測量工作，常常受到目標體周邊環境的影響或施工的干擾無法完成測量工作
4.測量工作易出錯；由于M1方案需要專業的工程測量人員方能實施，測量過程必須嚴格按照流程實施，由于流程較為復雜，測量人員的一個小細節錯誤將會導致測量線路中某個節點甚至真個測量線路的數據無效。
5.只能進行目標體表面位移的測量，無法量測目標體內部的位移情況。
第二種：M2-傳感器測量：
目前通用的位移傳感器主要為振弦式位移傳感器，以M2方案常用的振弦式位移計為例，振弦式位移傳感器由位移傳動桿、傳動彈簧、鋼弦、電測線圈、鋼弦支架、導向環、內外保護套筒、兩端連接拉桿和萬向節等組成。當位移計兩端伸長或壓縮時，傳動彈簧使得鋼弦處于張拉或松弛狀態，此時鋼弦頻率產生變化，受拉時頻率增高，受壓時頻率降低；由于位移與頻率的平方差呈線性關系，因此，當測出位移后的頻率，即可按照下式算出被測體的位移量。
dt＝K(f02—ft2)
式中dt為某時刻的位移量；K為靈敏度系數；f0為初始鋼弦頻率；ft為t時刻鋼弦頻率。
該方案具有如下缺陷：
1.精度不高；由于振弦式位移計采用機械構件傳遞位移進而影響鋼弦的頻率，物理量在傳遞過程中受機械構件及鋼弦按照精度的影響較大，同時溫度對該種傳感器的非線性影響較為顯著，故從應用效果上來看精度不高。
2.只能量測某一方向上的位移；該種傳感器只能量測傳感器軸線上的位移值，即為傳感器的安裝方向，而該方向無法精度定位，這與目標體具有的空間三維變形特征不相符合。
3.應用范圍窄；該位移計的量測原理決定了其必須將傳感器底部連接到基準點(即為不動點)才能量測目標體的相對位移，為尋求傳感器的穩定基準點，常常需采用深鉆孔的方法將傳感器采用剛性桿連接到到巖土層深處，且大部分情況下無法找到穩定的基準點或干擾施工，故其應用范圍窄，例如：
<1>進行隧道凈空量測時若采用該傳感器則直接干擾施工，無法愛實施；
<2>采用該傳感器進行隧道周邊巖土層位移量測時，則需要采用風炮鉆孔至穩定巖土層才能獲得基準點，而這個鉆孔深度一般為2～3倍的隧道洞徑，深度非常大，一般也不采用。
因此，有必要設計一種新的基于MEMS傳感技術的空間位移測量傳感器，以解決上述技術問題。
技術實現要素：
針對背景技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種基于MEMS傳感技術的空間位移測量傳感器，結構簡單,使用方便,測量準確。
本發明的技術方案是這樣實現的：一種基于MEMS傳感技術的空間位移測量傳感器，包括單片機控制單元，分別與單片機控制單元連接的MEMS加速度計和MEMS陀螺儀，以及通過通訊模塊與單片機控制單元連接的上位計算機，所述單片機控制單元連接設有存儲單元、電源模塊、復位電路和時鐘單元，所述電源模塊與時鐘單元連接，其中，所述MEMS加速度計用于采集被測物體加速度隨時間的變化過程；所述MEMS陀螺儀用于采集被測物體的平面方位角；所述存儲單元用于存儲MEMS加速度和MEMS陀螺儀采集到的數據；所述單片機控制單元用于控制MEMS加速度計和MEMS陀螺儀對被測物體的信號采集以及從存儲單元中取出數據計算位移值并存儲在存儲單元內。
在上述技術方案中，所述MEMS加速度計的靈敏度為2x 10-3m/s-2～2x10-5m/s-2。
在上述技術方案中，所述MEMS加速度計的采集頻率為10次/秒～60次/秒。
在上述技術方案中，所述MEMS陀螺儀的采集頻率與MEMS加速度計的采集頻率一樣。
在上述技術方案中，所述通訊模塊支持串行RS-232/RS-485、3G/4G通訊模式。
在上述技術方案中，所述存儲單元內置設有ROM、RAM兩部分。
在上述技術方案中，所述電源模塊具有UPS功能，能在斷電情況下維持系統72小時的運行。
本發明基于MEMS傳感技術的空間位移測量傳感器，由時鐘單元、單片機控制單元、復位電路、MEMS加速度計、MEMS陀螺儀、電源模塊、通訊模塊及存儲單元組成。在單片機控制單元的作用下完成被測信號的采集、濾波、計算、存儲功能。系統按照單片機控制單元設置的采樣頻率完成信號的采集、濾波及計算，并將計算成果進行存儲，上位計算機通過串行通信或4g無線通信與控制器實現交互。如此，達到結構簡單,使用方便,測量準確的有益效果。
附圖說明
圖1為基于MEMS傳感技術的空間位移測量傳感器結構框圖；
圖2為計算原理示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
如圖1所示，本發明所述的一種基于MEMS傳感技術的空間位移測量傳感器，包括單片機控制單元1、MEMS加速度計2、MEMS陀螺儀3、通訊模塊4、上位計算機5、存儲單元6、電源模塊7、復位電路8和時鐘單元9。
其中，MEMS加速度計2和MEMS陀螺儀3分別與單片機控制單元1連接，單片機控制單元1用于控制MEMS加速度計2和MEMS陀螺儀3對被測物體的信號采集；MEMS加速度計2為信號敏感元件之一，其靈敏度為2x 10-3m/s-2～2x10-5m/s-2，用于采集被測物體加速度隨時間的變化過程，采集頻率為10次/秒～60次/秒；MEMS陀螺儀3也為信號敏感元件之一，用來采集被測物體的平面方位角，采集頻率同MEMS加速度計的采集頻率一樣。
上位計算機5通過通訊模塊4與單片機控制單元4連接，其中，通訊模塊4支持串行RS-232/RS-485、3G/4G通訊模式，負責上位計算機5指令的傳送，并采集數據(信號、物理量)向計算機5的傳輸。
單片機控制單元1連接設置存儲單元6、電源模塊7、復位電路8和時鐘單元9，電源模塊7與時鐘單元9連接，其中，存儲單元6用于存儲MEMS加速度2和MEMS陀螺儀3采集到的數據。由于采集到的信號是：“加速度”、“平面方位角”、“天頂距”、“時間”，存儲單元6需要不斷存儲這些信號、時間數據，以便單片機控制單元1定時從存儲單元6中取出這些數據來對時間積分計算位移值，同時計算出來的位移值也要存儲到存儲單元6中；因此，存儲單元6需要配置較大容量的內置ROM、RAM兩部分。
電源模塊7一方面保證系統在市電供電條件下運行，同時還具有UPS功能，保證斷電情況下可維持系統72小時的運行；復位電路8和時鐘單元9是與單片機直接相關的連接單元，也是組成單片機最基本的部分，在此，不對復位電路8和時鐘單元9做特別的限定和描述。
本發明基于MEMS傳感技術的空間位移測量傳感器，集成了MEMS加速度計及MEMS陀螺儀，通過對時間-加速度曲線的二次積分來計算測點的空間位移。為了提高本系統的量測精度，通過傳感器的高頻率采樣以獲取空間點微小時間間隔△t的三向加速度α、方位角θ、天頂距φ，通過內置MCU計算輸出測點的變形值。以每秒2次數據的數據采集頻率為例，詳細闡述本系統的變形測量原理。
若傳感器出廠時標定絕對N(X)向和H(Z)，則其輸出的方位角則為絕對方位角和絕對天頂距，則本系統計算輸出的則為絕對坐標系下的位移矢量值。
如圖2所示，點A(傳感器質心)在2個時間周期內在三維空間內完成兩次加速運動，所耗費的時間為Δt(采樣周期)，矢量為第1次加速運動，其加速度為(a1X、a1Y、a1Z)，矢量為第2次勻加速運動，其加速度為(a2X、a2Y、a2Z)。
圖中矢量為空間運動軌跡矢量在平面NAE(水平面)上的投影，矢量為空間運動軌跡矢量在平面NAE(水平面)上的投影。
假定：①A的初始速度為0(為方便闡述)；②A點的初始方位角為θ1(該方位角由傳感器陀螺儀模塊量測并輸出)，初始天頂距為Φ1；③運動到B點后，傳感器方位角為θ2，其天頂距為Φ2；
定義矢量在三個坐標軸方向上的分量為
定義矢量在三個坐標軸方向上的分量為
則可定義，矢量在三個坐標軸方向上的分量為
則傳感器在時間周期上的位移即為矢量的長度，可用式(1)計算：
式(1)
式(1)中分量可采用式(2)～(4)計算：
式(2)
式(3)
式(4)
式(2)～(4)中6個分量可由下式算得：
即：
若采樣時間足夠小，即Δt足夠小時，可認為為常量，則6個分量可通過下式(5)～(10)計算獲得：
式(5)
式(6)
式(7)
式(8)
式(9)
式(10)
將以上式(1)～式(10)所示的計算原理擴展到T＝n xΔt的時間范圍，則可計算出傳感器空間移動軌跡中任意時刻T的絕對位移量。
本發明基于MEMS傳感技術的空間位移測量傳感器，具有以下有益效果：
1.DSM位移傳感器的基本測量原理為牛頓第二定律及加速度定義公式，將時間軸充分離散積分，數學原理非常嚴密，這是目前其它傳感器所必能比擬的，這為高精度的位移測量奠定了理論基礎。
2.DSM位移傳感基于加速度對時間的積分來計算位移值，可用于3向(X/Y/Z)位移測量；而弦式位移傳感器只能測量單個方向的位移，且位移測量方向無法精確確定。
3.相比于人工采用光學儀器進行3向位移測量，DSM位移傳感器不受通視條件限制，不干擾施工，且由于其尺寸小、重量輕，使得其應用受空間、環境制約小，且安裝過程中無需鉆孔等負責的輔助安裝措施。
4.量測不受傳感器自身的限制，可用于大變形的測量，這是目前其它位移傳感器所達不到的(目前其它位移傳感器只能用于小變形測量)。
5.量測精度高，DSM傳感器集成微陀螺儀，測量傳感器運動過程中的方位，對所測位移進行旋軸修正，以得到確定基準軸向的三向位移值。
6.溫度效應好；采用的加速度、陀螺儀元件具有較好穩定性及溫度效應，傳感器穩定性好，而振弦式位移傳感器則受溫飄影響較大。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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