基于三軸加速度計的傾斜角傳感器的研究與設(shè)計
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在很多運用場合，都必須弄清楚裝備對于重力場是水平的還是垂直的，與水平面呈多大角度。在許多國家有這樣的規(guī)定，升降機和起重機上都必須要有傾斜監(jiān)控。對于傾斜監(jiān)控在人類交通工具上尤為重要。離軌列車需要傾斜信息來避免事故發(fā)生，或保持某些重要部件在某一確定角度。一些交通工具，例如自傾斜火車需要傾斜角來補償離心力。有時需要用傾斜計來保持平臺的水平，或者一定角度，傾斜角傳感器的研究極為重要。傳感器的微型化、智能化已成為傳感器發(fā)展的趨勢，基于MEMS技術(shù)的全固態(tài)微傳感器的研究已成為傳感器研究的一個重要方面，實際應(yīng)用中的傾斜角傳感器包括，液態(tài)傾斜角傳感器，氣體傾斜角傳感器，固態(tài)傾斜角傳感器，光學(xué)傾斜角傳感器，與液態(tài)傾斜角傳感器相比，固態(tài)傾斜角傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，可重復(fù)性強，反應(yīng)快的優(yōu)點，與光學(xué)傾斜角傳感器相比，固態(tài)傾斜角傳感器具有適應(yīng)性強，價格便宜的優(yōu)勢。
由加速度傳感器測量傾斜角的途徑很多，文獻中提出了一種基于兩軸加速度傳感器ADXL213的傾角測量裝置，實現(xiàn)了全擺幅高精度測量，并能在運動車輛中抵消前進方向加速度，實現(xiàn)運動中單方向高精度測量。文獻中同樣運用兩軸壓力傳感器實現(xiàn)單方向全擺幅傾角測量文獻。文獻中運用兩軸加速度傳感器ADXL202實現(xiàn)了全方位，45°擺幅內(nèi)低誤差傾斜角測量。文獻中運用液態(tài)兩軸傾斜角傳感器實現(xiàn)全方位、低擺幅、高精度傾斜角傳感器。單軸加速度傳感器只能實現(xiàn)單方向，低擺幅傾斜角測量，兩軸傾斜角傳感器，方向和擺幅不能兼顧。本文將討論采用三軸微加速度傳感器實現(xiàn)智能化傾斜角傳感器方法。
l 傾斜角測量原理
對于軸加速度傳感器，當(dāng)它的傳感方向和重力加速度方向一致時，假如此時為零傾斜角度，設(shè)加速度傳感器測量結(jié)果為F(θ)，θ為傾斜角度，g為重力加速度，如圖l所示。
所以當(dāng)傾斜角θ太小時，測量的分辨率就會太小，當(dāng)角度足夠大時精度才會上升。所以對一軸傾斜角傳感器的運用是：把它的傳感方向與重力加速度方向垂直時的狀態(tài)設(shè)為零傾斜角度，文獻運用此方法測量傾斜角，如圖2所示，此時：
此時傾斜角度小時測量精度高，而對于一軸加速度傳感器而言，只能測一個方向的傾斜角。所以用一個兩軸加速度傳感器，兩個傳感方向皆垂直于重力加速度，當(dāng)兩軸傾斜角傾斜時，加速度傳感器測量結(jié)果為：
如何利用θx，θy求出傾斜角θ。首先定義兩組三軸向量：[x，y，z]為參考O傾斜向量，[u，v，r]為傾斜后的向量。如圖3所示，設(shè)向量[z，y，z]先繞y軸傾斜
，再繞x軸傾斜
，所以從[x，y，z]到[u，v，r]的轉(zhuǎn)換為：
設(shè)x,y為水平方向，z為垂直方向。（x，y，z）=（0，0，1）于是便有：
此時u=kF(θx)=kgsinθx,v=kF(θy)=kgsinθy，所以：
而傳感器實際傾斜角為：
所以只要得出兩軸加速度傳感器測量結(jié)果F(θx)和F(θy)就可以計算出θx和θy，進而知道總的傾斜度。
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