倾角传感器说明.doc

倾角传感器简介3.1 倾角传感器的分类与比较 倾角传感器经常用于系统的水平距离和物体的高度的测量，从工作原理上可分为固体摆式、液体摆式、气体摆式三种倾角传感器，这三种倾角传感器都是利用地球万有引力的作用，将传感器敏感器件对大地的姿态角，即与大地引力的夹角 (倾 角)这一物理量，转换成模拟信号或脉冲信号，他们的原理分别介绍如下: 3.1.1 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1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：（1） 式中的为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时，可以认为F与成线性关系。如应变式倾角传感器就是基于此原理。 3.1.2液体摆式倾角传感器 液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三根电极相互平行且间距相等，如图2所示。当壳体水平时，电极插入导电液的深度相同。如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻RI3所示，左边电极浸入深度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻RI减少，即RIRIII。反之，若倾斜方向相反，则RIRIII。增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻RIII和RIII。若液体摆水平时，则RIRIII。当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三根电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。 在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。在实用中除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会 运动使电容发生变化而感应出倾角的 “液体摆 ”。 3.1.3 气体摆式倾角传感器 气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一样，热气流总是力图保持在铅垂方向上，因此也具有摆的特性。“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q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”式惯性器件的敏感机理基于密闭腔体中的能量传递，在密闭腔体中有气体和热线，热线是唯一的热源。当装置通电时，对气体加热。在热线能量交换中对流是主要形式。 对流传热的方程为： （2）其中：h热量传递系数（），s热线表面积(m2)， TH热线温度（K），TA气体温度（K）。 热量传递系数h与流体的热传导率 、动力学粘度、流体速度和热线直径有关，表示为： ， ， （3）其中： Nu为努塞尔（Nusselt）数，热传导率（W/mK），Re雷诺（Reynold),U流体速度（m2/s）,D热线的直径(m),n流体的动力学粘度。当气体以流体速度U垂直穿过热线时， （4）将（4）式带入（3）式式得： （5）根据热平衡方程得： 所以, (6)假设和s 为常数，则有： （7） 从式（7）可以看出，当流体的动力学粘度、密度和热传导特性一定时，若热线周围流体的速度不同，则流过热线的电流也不同，从而引起热线两端的电压也产生相应的变化。气体摆式惯性器件就是根据这一原理研制的。 气体摆式检测器件的核心敏感元件 为热线 。 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4(a)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V7）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4(b)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VV2，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。倾斜角度不同，输出的电信号也不同。3.1.4 固、液、气体摆性能比较 就基于固体摆 、液体摆及气 体摆 原理研制 的倾 角传感器而言，它们各有所长。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，在武器系统中应用也较 为广泛。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。 3.2 SCA100T双轴倾角传感器简介3.2.1 SCA100T传感器结构和特性 SCA100T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双轴倾角传感器 体积小重 轻仅1.2克。 MEMS(micro electro mechanical system) 是二十一世纪的前沿技术，采用MEMS技术可以在硅芯片加工出完整的微型电子机械系统，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。 该器件内部包含了一个硅敏感微电容传感器和一个ASIC专用集成电路,ASIC电路集成EEPROM存储器、信号放大器、A/D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 30和90两种量程。3.2.2 SCA100T的主要特性 SCA100T传感器主要特性如下： 1）XY双轴高分辨率双向测量； 2）单电源+5VDC供电，工作电流3Ma； 3）串行外部接口（SPI）兼容，输出倾角和温度信号； 4）量程30（0.5g）或90(1.0g)； 5) 输出灵敏度4V/g(0.5g)或2V/g(1.0g)； 6）模拟量输出和11位数字量输出； 7）A/D转换时间150毫秒； 8）内置温度传感器和温度补偿； 9）数字激活内部故障自测试； 10）长期稳定性高； 11）噪声低，工作温度范围宽（-40+125）； 12）可承受超过20000g的机械冲击3.2.3 SCA100T的电器条件和极限条件SCA100T的极限条件如下图所示：3.2.4 SCA100T的封装和引脚功能 SCA100T倾角传感器件采用塑料SMD封装,DIL-12脚,无铅回流焊接,引脚在说明和排列分别见表：SCA100T的封装SCA100T的引脚功能3.2.4 SCA100T的优势与应用SCA100T倾角传感器和传统的倾角传感器相比，具有长期稳定性好，温度特性优良，抗冲击能力强，测量精确度高，测量方便等等优势。SCA100T倾角传感器广泛应用于双轴平台调平，倾角测量，垂直方向的各种角度的测来。3.3倾角传感器发展趋势与产品现状 目前生产倾角传感器的厂商较少，但就产品而言，单轴倾角传感器居多，且分辨率较高。就国内产品而言，传感器与电路集成较少，且大多只提供模拟量输 出。就传感器发展状况而言，从收集资料看，北京信息工程学院的产品在小型化及产品精度等指标方面较领先，如膜电位倾角传感器。就网络查询反馈看 ，产品主要集中在欧美几家大公司， 如英国的Clino公司、德国的西门子公司 、美国的 CrossBow Technology公司、Atmos工程公司 、Fredericks公司以及美国数字公司。就国外产品种类而言， 其数量也较少，但从数字化、小型化、精度、重量、使用温度范围及线性度等指标而言，具有较高的实用价值 。如 LS系列产品分辨率可达到1.8，英国Clino公 司SP系列产品高度只有22rnm，特殊的可达到16mm，可用于一些特殊场合 。CrossBow 公司CXTA、美国数子公司A2产品均属于数字产品，可以通过接口板直接与计算机相连。同时在查阅的过程中可以看出，加速度传感器由于其动态性能好，精度高，因此在倾角测量中也得到广泛的应用。倾角测量 在地球上任何位置的物体都受到重力的作用( F = mgn) ,即任意的质量块会受到一个重力加速度的作用,采用加速度传感器即可测出这个重力加速度。把加速度传感器固定在物体的水平面上,则加速度传感器感受到的加速度 a0 = gn;当物体姿态改变时,加速度传感器的敏感轴随之转动角度 ,则传感器受到的加速度变为 a1 = gncos ,如图1所示,因此可以通过测量加速度的变化来反映物体姿态的变化。 用双轴倾角测量时，其原理是用欧拉角的形式表示一个坐标系的转动 ,设 OEN为定坐标系, 有一动坐标系OX0Y0Z0 ,起始时刻与定坐标系各轴重合,经过绕E轴、N轴、角转动之后, 达到它的新位置OXYZ。则有 5.2.2 SCA100T双轴倾角传感器原理 本系统采用SCA100T双轴倾角传感器，它是一种静态加速度传感器,当加速度传感器静止时(也就是侧面和垂直方向没有加速度作用)作用在它上面的只有重力加速度。重力（垂直）和加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。 VTI的硅电容式传感器由一对平行板组成在发生倾角变化时质量块受到重力作用，改变了平行板间距引起电容里变化，从而测量出角度变化。图2 水平放置方法加速度敏感轴信号输出与重力加速度之间关系如下 Ax=g.sin()Ay=g.sin()其中Ax和Ay代表加速度传感器的输出,g是以重力作为参考的加速度值,而和是倾斜角度。为了计算倾斜角度通过反正弦方程可以得到:=sin-1(Ax/g) =sin-1 (Ay/g)当放置的角度在60度的范围内有很好的分辨率，当大于60度时，传感器将变得不灵敏（此时arcsin函数逐渐接近水平位置），当倾角接近90度时则无法测量。 由于本系统使用的SCA100T为4V/g的传感器，模拟输出的电压范围为05V，则模拟输出2.5V时所代表的位置为水平位置，代入 可求得的值为38.7度。考虑到仪器的倾斜不应该大于30度（如果大于30度只能重新安装），所以传感器安装时采用此种水平放置方法。6.1.3 测量数据转换 SCA100T倾角传感器计X轴和Y轴分别有11bit满量程输出，输出数据和传感器位置关系如表3所示。表3 输出数据和传感器位置关系传感器位置-30（-90）0+30（+90）输出数据（二进制）000000000001000000000011111111111 倾角计用于检测角度变化的硅质量块位置与地球引力的关系是一个正弦函数，在30角变化时传感器输出量与角度呈较好的线性关系，当大于60变化时传感器输出量变缓，灵敏度降低，因此在90测量时，计算机对输出数据作相应处理，对非线性变化部分采用查表方式处理或用其他方式补偿。 由于SAC传感器对温度非常敏感，所以测试的时候要对传感器进行温度补偿，对该传感器温度补偿是通过SPI执行RWTR命令可以读出温度传感器数据，温度数据有8bit（0-255）。 Treal=（Counts-197）/(-1.08