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硕锋科技倾角传感器解读

发布时间:2013-07-19 文章来源:本站  浏览次数:1783

硕锋科技传感器解读


    特别说明:写本文的目的在于技术的交流,不带有商业性质。本文中所有数据和资料来源于合肥硕锋传感科技有限公司,硕锋电子对本文具有最终解释权。如有不妥之处,望批评指正。
    有人会说,倾角传感器芯片现在很多,买个芯片自己设计电路,用个好点的AD转换后输出数据,二三百元就够了,为什么你们的产品从几百元到几千元都有?这些理解都是误区,设计一款好的倾角传感器不是那么简单的,不是简单的把电压输出AD转换下,送到单片机计算下角度,输出角度就完事了。其中有很多细节需要考虑,本人从2010年开始一直在合肥硕锋传感科技有限公司传感器研发中心从事传感器研发工作。在征求公司许可的情况下在此写下了本文,也是我在公司多年经验的总结。希望和同行交流沟通。
倾角传感器是检测倾斜角度的传感器,又称之为角度传感器、水平传感器等。又分为固体摆、气体摆、液体摆等。这些知识网上都很多,在此就不做过多的介绍。下面以最典型的MEMS(微电子机械系统)倾角传感器做详细的说明。
通过测量地球的重力加速度分量来对倾斜进行测量。也就是说倾斜传感器所测量到的重力加速度分量等于倾斜角度的正弦 (sin) ×1g,通过逆运算就能得到角度数据。如果所测量到的重力加速度分量为0g,那么倾斜角就为0°,即水平状态。


 
这类芯片有很多种,一般这种芯片输出都是电压信号,通常还不能直接输出角度信息,为了方便使用,我们将倾角传感器芯片、单片机、模数转换电路、数模转换电路、各种接口芯片等集成在一块或多块电路板上,这样就是一个正式的倾角传感器。下图描述了我公司生产的倾角传感器的基本构成。


 
我们将各种不同的功能模块集成在一块或者几块电路板上,就构成了一个完整的倾角传感器,它有各种不同的接口芯片,所以会有不同的接口以满足工业现场的不同需求。比较常用的是电流和RS232输出,电流输出属于模拟量输出,一般输出是4-20mA或者0-20mA,输出的电流和测量的角度成正比关系,线性关系。电流输出受外界干扰小,适合远距离传输,可以和各种仪表接口。RS232输出是数字输出,可以直接输出角度值,适合与各种微处理器或计算机接口,但其传输距离不是很远,一般在15米之内。
如何设计一款比较好的倾角传感器呢?
目前做倾角传感器的厂家比较多,就以我们公司为例,来说明下如何设计一款比较好的倾角传感器。
首先要了解误差的来源,在倾斜测量中,产生误差的主要因素有以下几点: 
◆零点误差
最最主要的误差因素是零点误差。在-25°~85°的工作温度范围内,可以通过校正和温度补偿来减轻环境温度所造成的影响,上面框图中的温度传感器就是实现温度补偿的作用。
◆传感器自身固有的误差
倾斜传感器所测量出的加速度与1g×sin (倾斜角度+传感器自身固有误差) 成比例。该误差对于对角度十分灵敏的装置来说尤为重要。另外,由于加速度与倾斜角呈非线性的关系,所以需要注意在不同角度下对误差产生的不同影响。我们采用了精密的水平平台作为校准设备。
◆灵敏度误差
未修正之前,灵敏度误差通常在±1.5%。为了达到最佳精度,需要对灵敏度误差做精密修正。
◆他轴灵敏度
他轴灵敏度 (4%) 是指当受到与测量面垂直的面上的加速度时的灵敏度。他轴灵敏度与第2项所述一样,也会受到传感器自身固有误差的影响。
◆振动误差
MEMS的倾斜传感器采用了过阻尼结构,因此能够尽可能的降低高频振动的影响 (高频部分的截止频率f-3dB=2~10Hz) 。但是在大幅度振动 (>5g) 的极端情况下将会发生零点漂移。
◆电源比例误差
电源电压一旦发生变动,最大将有可能产生2%的误差为了使倾斜传感器稳定地工作,我们采用精密电压源给传感器和AD、DA的电压基准供电,电源精度可以达到5V±0.003。而且采用了隔离电源,减少外界对传感器的影响。
第二,需要有精密的校准设备,我们公司采用标准水平平台(平整度000级,注意平整度并不代表水平度),通过精密水平仪校准为绝对水平平面,水平度误差小于6秒(一度=60分,1分=60秒)。配合高精度转台,由高细分步进电机驱动,步进角度为3.6秒。与控制计算机连接,构成闭环控制系统,上位机软件可以完成自动校准、自动补偿、曲线拟合、打印输出等一系列功能。

第三,需要合理、科学的电路设计和PCB布局布线。很多人不重视,其实这是很重要的,在该系统中,各种隔离电路,电源的隔离之外,还需要信号的隔离,特别是在设计电流输出接口时更是需要,还有有模拟电路与数字电路混合接地,电路的布线和布局。
第四:各种测试,包括高温测试、低温测试、酸碱度度测试、震动测试、交叉轴误差测试、电磁兼容性测试等。一个好的产品都是这样经过层层考验而出来的。
第五,需要有配套的上位机软件,方便客户使用。同时提供二次开发和产品定制服务。
 
第六,要有配套的显示仪表供客户使用。配套的显示仪表是必不可少的,在某些场合可以很方便的查看传感器测量的角度,仪表一般具有电压输入、电流输入、232接口等各种接口,最好是菜单的设计,减少了按键数量,而且便于操作,输出一般是继电器,可以设置各种参数,设置XY轴的上限和下限,方便报警输出或者控制后续电路。同时具体对传感器的参数配置功能。 

倾角传感器典型应用举例
◆间接测量
对山、建筑物、树木等物体的高度进行测量也能使倾斜传感器得到最充分的利用。通过倾斜传感器的角度测量往往与通过激光测距仪的距离测量同时使用。该测量方式可被很好地利用在与建筑有关的行业或需要估测某块区域内树木体积的应用场合中。例如以我们公司(合肥硕锋科技)旁边的合肥大蜀山为例,构建如下三角形,可以测量观测点到山顶的距离,间接的计算出大蜀山的高度h = L*sinα 。
 
◆安全监测
倾角传感器可以应用在安全监测上,主要是超过设定角度报警或者控制其他设备的作用,这种具有报警、预设角度的倾角传感器我们称之为倾角开关,硕锋科技的倾角开关型号为SSW。可以向倾角开关发送指令,修改报警角度值。在安全监测上应用非常的广泛。主要包括铁塔安全监测、山体滑坡安全监测、塔吊安全监测、起重机大臂安全监测等。以下是我们公司的倾角开关的内部结构示意图:
 
◆垂直校准
倾角传感器在垂直校准上的典型应用为自动粉墙机、电梯、打桩机的垂直测量校准。

◆水平校准
倾角传感器在水平校准上的典型应用为液压支腿调平。高空作业车是电力、通讯、交通、市政、消防、救援、建筑等行业进行施工、维护修理等作业的理想设备。随着我国国民经济的蓬勃发展,高空作业车的需求量迅速上升。高空作业车的升降方式有折叠式、伸缩式和混合式等多种形式,作业高度从十几米到几十米不等,其工作平台的调平方式经历了从手动调
平到自动调平的发展过程,近几年发展迅速。

◆角度测量
各种需要测量角度的场合。


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