《MEMS倾角传感器》PPT课件.ppt

基于微加速度传感器的 倾角传感器,目录,倾角传感器简介 倾角传感器分类及其原理 电容式加速度微传感器 倾角传感器测量原理 总结,倾角传感器简介,在建筑施工或道路铺修中, 经常要对工程机械或机架装置进行调平校准, 并且要对施工质量进行检测, 这时遇到最多的问题就是水平与倾斜的测量。如果能设计一种带数字显示及数字通讯接口的倾角传感器, 用以代替基于水泡的各种水平尺等简陋工具, 既可以安装到这些施工机械上用于自动调平, 也可以作为对施工质量进行检测的仪表, 就正好适应了这种行业工作的需求。,倾角传感器简介,倾角传感器用于操作动作频繁、露天等环境恶劣的场合, 因此在响应速度、可靠性、体积、稳定性、使用寿命和成本方面要求很高。 基于MEMS加速度传感器的倾角传感器采用体积小、功耗低、响应速度快和高可靠的传感元件, 已经广泛应用于工程机械领域。,倾角传感器分类及其原理,根据原理分类 倾角传感器,“固体摆”式倾角传感器,“液体摆”式倾角传感器,“气体摆”式倾角传感器,“固体摆”式倾角传感器,固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，如图所示，其由摆锤、摆线、支架组成， 摆锤受重力G和摆拉力T的作用，其合外力F为： 如应变式倾角传感器就基于此原理。,“液体摆”式倾角传感器,“液体摆”式倾角传感器,“气体摆”式倾角传感器,“气体摆”式惯性元件由密闭腔体、气体和热线组成。当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体受到加速度的作用时，热线的阻值发生变化，并且热线阻值的变化是角度或加速度的函数，因而也具有摆的效应。其中热线阻值的变化是气体与热线之间的能量交换引起的。,“气体摆”式倾角传感器,其中：Nu为努塞尔（Nusselt）数，热传导率（W/mK），Re雷诺（Reynold）数，U流体速度（m2/s）,D热线的直径（m）,v流体的动力学粘度。,“气体摆”式倾角传感器,“气体摆”式倾角传感器,电流流过热线，热线产生热量，使热线保持一定的温度。热线的温度高于它周围气体的温度，动能增加，所以气体向上流动。在平衡状态时，如图所示，热线处于同一水平面上，上升气流穿过它们的速度相同，即V1V1，这时，气流对热线的影响相同，由式可知，流过热线的电流也相同，电桥平衡。当密闭腔体倾斜时，热线相对水平面的高度发生了变化，如图所示，因为密闭腔体中气体的流动是连续的，所以热气流在向上运动的过程中，依次经过下部和上部的热线。若忽略气体上升过程中克服重力的能量损失，则穿过上部热线的气流已经与下部热线的产生热交换，使穿过两根热线时的气流速度不同，这时V2V2，因此流过两根热线的电流也会发生相应的变化，所以电桥失去平衡，输出一个电信号。,固、液、气体摆性能比较,在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的敏感质量是气体。 气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的要求。 固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同。在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高。 液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外产品多为此类。,微加速度传感器,MEMS 加速度传感器是惯性器件的一个大的种 类，以其制造采用集成电路的加工工艺而明显 地区别于其他惯性传感器，其优点在于寿命更 长、制造成本低廉且可靠性更高。此外， 还具 有体积更小、重量更轻、耗电量更小、易集成、 能大批量生产等特点。,微加速度传感器的种类,压阻式加速度微传感器 电容式加速度微传感器 谐振式加速度微传感器 伺服式加速度微传感器 隧道型加速度微传感器,电容式加速度微传感器,电容式微加速度传感器式通过可动质量块感应 加速度，利用平行板电容将质量块的相对位移 转换为电容的变化，再通过检测电路将电容的 微小变化转换为与其成正比的电压的变化。,电容式加速度微传感器,电容式加速度传感器具有温度效应小，功率损 耗低，灵敏度相对较高（可达0.01mg），结 构比较简单，加工工艺不复杂等突出优点，同 时，动态特性好，抗过载能力强。但外界加速 度仅能引起微小的电容变化（通常在10-15量级 甚至更低），测试方法复杂。,电容式加速度微传感器工作原理,倾角计算方法,倾角计算方法,图2是利用双轴的加速度计来进行单个轴的倾斜角度的 测量图解。这时加速度输出和倾斜角的关系为 在此, , 所以很容易获得或者的值。 所以倾斜角的值可以通过反正切方程求得:,倾角传感器硬件系统,倾角传感器软件流程图,实验结果,在0 360 测量范围内，测量精度可达到0.3，测量角度分辨率为0.01,总结,基于加速度传感器的倾角传感采用CAN总线通 讯, 保