现代测试技术作业.doc

序号：10现代测试技术传感器作业题 目： 双轴高精度倾角传感器SCA100T 院 系： 电信与通信工程学院 专 业： 自动化 班 级： 0 7自动化 学生姓名: 黄 帅 学 号:2009年 10月18日双轴高精度倾角传感器SCA100T摘要：本文介绍了芬兰VTI公司生产的型号为SCA100T的倾角传感器的原理、结构特性、接口等，并且介绍了该器件的一典型应用：SCA100T在钻孔测斜仪中的应用设计，以及分析该控制系统中使用该芯片的优缺点。关键词：SCA100T；SPI接口；AT89S52单片机；双轴倾角传感1双轴倾角传感器SCA100T介绍SCA100T倾角传感器是芬兰 VTI公司 2005年最新推出的, 利用MEMS技术开发生产的高精度的双轴倾角传感器 , 体积小重量轻仅1.2克。MEMS（Micro electro mechanical system）是二十一世纪的前沿技术，采用MEMS技术可以在硅芯片上加工出完整的徽型电子机械系统,包含了微型传感器、微型机械结构、以及信号处理和控制电路、通讯接口等于一体的微型器件, 把信息系统的微型化、多功能化、 智能化和可靠性水平提高到新的高度 。该芯片的引脚图及说明如下：管脚 名称 功能1 sck 串行口时钟输入2 ext_1 X轴外接电容3 MISO 数据输出4 MISI 数据输入5 OUT2 Y轴输出6 VSS 电源负极7 csb 片选8 ext_2 Y轴外接电容9 ST_2 Y轴测试输入10 ST_1 X轴测试输入11 OUT1 X轴输出12 VCC 电源正极127891011YX1456322内容2.1工作原理该器件内部包含了一个硅敏感微电容传感器，测量芯片在X和Y方向的加速度以及一个专用ASIC集成电路, ASIC电路集成了EEPROM存储 器、信号放大器 、AD转换器、温度传感器和SPI串行通信接口 , 组成了一个完整的数字化传感器。有30o和90o两种量程 ,其主要原理如下：yyabxxgg图一 图二图中g代表重力加速度，x和y分别代表双轴的重力加速度，a和b分别代表双轴上的重力加速度与水平的夹角；芯片内部通过对x，y，g以及合成量的测量，再将信号通过一定得集成电路，将输出量与角度线性化、数字化，这样得出的输出量就为随倾角变化的分量。2.2测量的物理量及范围双轴高精度倾角测量可靠测量范围：3090DIL-12塑料SMD封装，可回流焊单电源+5V供电输出差分模拟信号和数字信号（SPI）内置温度传感器（数字SPI输出）抗振20,000g2.3应用领域及举例2.3.1应用领域-地理:山体滑坡，雪崩-民用:大坝，建筑，桥梁，玩具，报警，运输-工业：吊车，吊架，收割机，起重机，称重系统的倾斜补偿，沥青机铺路机等-火车：高速列车转向架和客车车厢的倾斜测量-海事：纵倾和横滚控制，油轮控制，天线位置控制-钻井：精确钻井倾斜控制-机械：倾斜控制，大型机械对准控制，弯曲控制，起重机-军用：火炮和雷达调整，初始位置控制，导航系统，军用着陆平台控制典型应用：钻孔测斜仪、汽车四轮定位仪、铁道轨距尺、水库大坝安全监测用倾斜仪。2.3.2应用举例：SCA100T在钻孔测斜仪中的应用。2.3.2.1测量原理SCA100T型倾角传感器混合电路安装在测斜仪探管顶端，当探管处于不同位置时，传感器的3个敏感轴会根据角度的变化而输出相应的模拟量。然后将信号送人单片机MSC1210中，最终通过MAX 485总线传给地面上的工控机。测量系统原理图如图1所示。SCA100T单片机MCUMsc1210工控机图三 测量系统原理图SCA100T是一种静态加速度传感器，当加速度传感器的敏感轴与地面水平时，作用在它上面的只有重力加速度。重力和加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。传感器单轴的测量范围是90o，通过双轴作空间换算为了获得最高精度，精确地描述输出值与角度之间的关系，利用原始数据绘制的散点图来拟合函数曲线，以倾角传感器的X轴的输出值为例进行采样，推算出倾角的回归模型。从而得出倾角大小。然后通过总线操作工控机，校正钻孔角度。2.3.2.2误差处理2.3.2.2.1 回归模型的修正由于该控制系统存在比较大的误差，以及输出与倾角的线性关系的误差。为了获得最高精度，精确地描述输出值与角度之间的关系，利用原始数据绘制的散点图来拟合函数曲线，以倾角传感器的 轴的输出值为例进行采样，推算出倾角的回归模型。通过测得的标定数据进行分析，得出了倾角传感器X轴的散点表。表一如下：由图可知测出的2个变量角度和电压基本成正弦变化趋势，因此可设 轴的回归模型为：y=a1sinx+b1作变量代换X=sin x； Y=y，得 Y=a1X+b1。则由原始试验数据(xi ，y i)，求出对应数据( Xi，Yi)。计算出样本相关系数：r=0.999 96。因为l r lro (17)=0.575 1，所以，认为Y与X之间的线性相关关系特别显著，因此可以用此模型。根据实验数据得出 轴的回归模型为：y=0.593 103sinx+2.501 842.3.2.2.2补偿方法为进一步减少误差，可对函数进行补偿，通过修正方法进行消除。因此在相同的条件下，需要反复多次进行测量。首先将传感器的误差计算出来做出误差表(见表1)，然后取与误差中最小值大小相同而符号相反的值作为修正值，将实际测得值加上相应的修正值，即可得到不包含该误差的测量结果。但是由于修正值本身也可能包含有一定误差，因此用修正值消除误差的方法，不可能将全部误差修正掉，总要残留少量误差，对这种残留的误差则应按随机误差进行处理。补偿方法就是用SCA100T倾角传感器测出的电压值根据推导出的回归模型求出sin a ，就得出了倾角测量时得到的倾角推算值a1 ，接着对a1 进行修正，得到修正后的倾角值为a2 ，并使a 2尽可能与真实倾角值 a相等在补偿过程中存在着两个问题：其一，由于倾角为0o时的误差为负，因此在进行多项式拟合时将其归入倾角为负中计算；其二，在90o时计算出的倾角值可能超出范围，因此多测量几次，找到其合适的值后，事先进行截断处理，使整个补偿过程顺利进行。通过以上的误差处理，测量结果如下：a 双轴倾角传感器测量倾角的实验结果重复性很好，并且倾角的推算结果及其误差的分布情况比较均匀，说明测量倾角的实验条件稳定，实验结果可靠。b 虽然测量倾角的实验结果和推算结果存在一定的误差，但其误差分布的规律性很强。运用误差补偿技术对实验结果和推算结果进行误差补偿能起到很好的效果。e 经过对倾角传感器的误差校正，该传感器基本能克服由于测量装置的精度和漂移带来的误差，并且经过误差补偿的双轴倾角传感器的倾角测量的误差减小了，它们的均方差最大为0.15258，误差补偿的效果非常好。d 实验结果表明，经过误差补偿后能够达到较高的测量精度，完全可以满足实际倾角测量的精度要求。e 双轴倾角传感器在钻孔测斜仪的应用中，共轴部分的精度问题有待进一步的提高。2.4技术指标、参考价格及生产厂家参考价格：388 RMB。生产厂家：北京神州巡天科贸有限公司。三：课程建议现代测试技术这门课程，对于我们专业来说非常重要，其中介绍了很多常用的传感器，这些传感器在我们今后的控制系统中非常重要。课堂上老师教给我们分析传感器的方法能使我们直接受益。只是我们上课的教室没有网络，导致老师给我们看的一些网上视频都无法链接。这些传感器的实际应用我们也就无法进一步了解。在以后的课程中，我希望能够了解到更多的传感器的实际应用知识。四：取得结果及致谢正文通过这一次作业，我前后花了几天时间。首先是在网上以及图书馆查找传感器的型号。找了很久，恍然记起在电子竞赛期间用过的倾斜传感器，它在2007年电子竞赛中寻找平衡点的应用让我恍然觉悟了。于是乎重新找到那个芯片，开始了这次作业。由于以前用过这个芯片，写起来也就比较顺利。但是为了编排布局，也花费了不少时间。在这次作业期间，通过重新查阅资料，又加深了对这个传感器的认识，尤其是原理的认识。以前只知道用它，现在知道原理了用起来更加得心应手了。最后感谢谭老师教给我们这么多有用的知识，让我们学到了很多实用的知识。谭老师教学严谨， -五：参考文献1 曾光奇