基于三軸加速度計(jì)的傾斜角傳感器的研究與設(shè)計(jì)
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時(shí)間：2010-06-08
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在很多運(yùn)用場(chǎng)合，都必須弄清楚裝備對(duì)于重力場(chǎng)是水平的還是垂直的，與水平面呈多大角度。在許多國(guó)家有這樣的規(guī)定，升降機(jī)和起重機(jī)上都必須要有傾斜監(jiān)控。對(duì)于傾斜監(jiān)控在人類(lèi)交通工具上尤為重要。離軌列車(chē)需要傾斜信息來(lái)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?xún)A斜火車(chē)需要傾斜角來(lái)補(bǔ)償離心力。有時(shí)需要用傾斜計(jì)來(lái)保持平臺(tái)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(shì)，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(gè)重要方面，實(shí)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(jiǎn)單，可重復(fù)性強(qiáng)，反應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)，價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)。
由加速度傳感器測(cè)量?jī)A斜角的途徑很多，文獻(xiàn)中提出了一種基于兩軸加速度傳感器ADXL213的傾角測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了全擺幅高精度測(cè)量，并能在運(yùn)動(dòng)車(chē)輛中抵消前進(jìn)方向加速度，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中單方向高精度測(cè)量。文獻(xiàn)中同樣運(yùn)用兩軸壓力傳感器實(shí)現(xiàn)單方向全擺幅傾角測(cè)量文獻(xiàn)。文獻(xiàn)中運(yùn)用兩軸加速度傳感器ADXL202實(shí)現(xiàn)了全方位，45°擺幅內(nèi)低誤差傾斜角測(cè)量。文獻(xiàn)中運(yùn)用液態(tài)兩軸傾斜角傳感器實(shí)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(shí)現(xiàn)單方向，低擺幅傾斜角測(cè)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(shí)現(xiàn)智能化傾斜角傳感器方法。
l 傾斜角測(cè)量原理
對(duì)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(shí)，假如此時(shí)為零傾斜角度，設(shè)加速度傳感器測(cè)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(shí)，測(cè)量的分辨率就會(huì)太小，當(dāng)角度足夠大時(shí)精度才會(huì)上升。所以對(duì)一軸傾斜角傳感器的運(yùn)用是：把它的傳感方向與重力加速度方向垂直時(shí)的狀態(tài)設(shè)為零傾斜角度，文獻(xiàn)運(yùn)用此方法測(cè)量?jī)A斜角，如圖2所示，此時(shí)：
此時(shí)傾斜角度小時(shí)測(cè)量精度高，而對(duì)于一軸加速度傳感器而言，只能測(cè)一個(gè)方向的傾斜角。所以用一個(gè)兩軸加速度傳感器，兩個(gè)傳感方向皆垂直于重力加速度，當(dāng)兩軸傾斜角傾斜時(shí)，加速度傳感器測(cè)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(shí)u=kF(θx)=kgsinθx,v=kF(θy)=kgsinθy，所以：
而傳感器實(shí)際傾斜角為：
所以只要得出兩軸加速度傳感器測(cè)量結(jié)果F(θx)和F(θy)就可以計(jì)算出θx和θy，進(jìn)而知道總的傾斜度。
評(píng)論