双轴倾角传感器的设计与实现

格平行, 用以测 量陀 螺敏 感轴 相对 水平 面的 倾角 。 另一 个敏感轴 (y 轴 )在水 平面内 与陀 螺敏感 轴垂 直, 用以 测量 基座平面绕陀螺敏感轴的倾角 。
若寻北仪架设于地球上某一点 O 处, 其经度为 , 纬度 为 ! 。地理坐标系 OXn YnZn, 其方向 分别为东、北、天; 载体 坐标系 X bYbZb 分别为载 体首 尾线水 平面 及水 平 面法 线方 向, 其中, 载体纵轴与 OYb 轴重合, 陀螺轴与 OX b 与之重合。 设载体的方位角、横滚角 和俯仰角分别为 ∀, 和 (逆时针 为正 )。地理坐标 系 X n YnZn 到载 体坐 标系 X bYbZb 的 转换 矩阵为 [ 4]
为了检测加速度计信号的微小变化, 提高 A /D 转换精
度, 需要对信号进行 放大。转 换后的电 压信号 接入 精密滤
波放大电路, 实 现低 通滤 波 [ 8, 9] 。滤波 后的 电压 信号 还必
须经过限幅和调理环节转换成与 AD 采集芯片输 入兼容的
电压信号才能接入 AD 的信号输入 端。采集系统 的流程如
cos 0 - sin 1
0
0
cos ∀ sin ∀ 0
Cbn =
0
s in
10 0 cos
0 cos sin 0 - sin cos
- sin ∀ cos ∀ 0
0
01
cos cos ∀- sin sin sin ∀ cos sin ∀+ sin sin cos ∀ - sin cos
=
- cos sin ∀
( 2)
仅考虑加速度计偏值时, 双轴加速度计的输出分别为
A x = g cos sin + gx0, A y = - g s in + gy0 .
( 3)
式中 g 为重力加速度, gx0和 gy0为加 速度计的零偏。
采集加速度计在相差 180 两位置的输出 值 A 1x, A 1y, A 2x
和 A 2y, 解算 出 和 为 [ 7]
摘 要: 光纤陀螺 ( FOG )寻北仪是利用 FOG 在相对地球静止 时感测 到的地球 自转角 速率在 光轴上 的分 量特性而设计的寻北系统。固定陀螺的基座不水平 时, 对寻 北精度会 产生较大的 影响。为了 检测基 座平
面的姿态角, 并对 陀螺的输出值进行补偿, 研制了高精度的双轴倾角传 感器。该 倾角传感器采用双轴石英 挠性加速度计作为检测元件, 通过采样加速度 计在相 差 180 的 2 个方向 上的输 出值, 精确地 解算出 基座
本倾角传 感器是 为了检测 固定 FOG 的基 座的姿 态角 并补 偿陀螺的输出值而设 计的, 因此在 结构上 与寻北 系统 是一个整体, 并不是一个 独立的 部件。 FOG 寻 北仪采 用二 位置 法测量原理, 即通过采样 陀螺在 相差 180 的 2个 方向 上的输出值, 解算出陀螺的敏感轴与真北方向的夹角, 工作 原理 如图 1所示。
便于后续电路处理, 需要进 行 I/V 转 换把电流 信号 转换成
电压信号。
加速度计的标度因数 Ig= 1 # 0. 2mA /gn, 匹配 电阻为 50# 。设计的测角范 围为 # 15 , 则加 速度 计输 出的 电压
幅值为 V = 1 ∀ 50 ∀ 10- 3 ∀ sin 15 = 12. 94 ∀ 10- 3 V。
平面的姿态角, 并 消除了加速度计偏值的影响。系统简单, 容易实现, 且达到了较高的测角精度。 关键词: 光纤陀螺寻北仪; 加速度计; 倾角传感器; A /D 转换
中图分类号: U 666. 12
文献标识码: A
文章编号: 1000 9787( 2009) 12 0086 03
Design and realization of dual ax is T ilt angle sensor
cos cos ∀
s in
.
( 1)
sin cos ∀+ co s sin sin ∀ sin sin ∀- cos sin cos ∀ cos cos
在地理坐标系 X n YnZn 中 地球重 力加 速度为 [ 0 0
- g ]T , 则在载体坐标系 X b YbZ b 中各轴的重力分量为
[A x Ay A z ] T = Cbn ∀ [ 0 0 - g ] T .
实现二位 置法测 量的关键 部件是 精密机 械转台 , FOG
收稿日期: 2009 感器的设计与实现
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图 1 二位置寻北方案原理图 F ig 1 D iagram o f principle of two positions north seeking 和双轴加速度计固定在 转台上, FOG 的敏感 轴平 行于 基座 平面。双轴加速度计的一个敏感轴 ( x 轴 )与陀螺敏感轴严
= arcs inA 1y - A 2y, = arcsin 2g
A 1x - A 2x
.
4g2 - (A 1y - A 2y ) 2
( 4)
在上面的处理中消除 了加速 度计的 零偏, 极大 地降低
了对加速度计精度的要求。
2 倾角传感器的设计与实现
2. 1 硬件电路设计 双轴石英挠性加速度 计的两 路输出 为电流 信号, 为了
JIANG Q ing x ian1, 2, MA X iao hu i2, CH EN X iao b i2, WANG H ua2
( 1. S choo l of M echan ica l Engineering, X i! an J iao tong Un iversity, X i! an 710049, Ch ina;
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传感器与微系统 ( T ransducer andM icro system T echno log ies)
2009年 第 28卷 第 12期
双轴倾角传感器的设计与实现
蒋庆仙 1, 2, 马小辉 2, 陈晓璧 2, 王 华 2
( 1. 西安交通大学 机械工程学院, 陕西 西安 710049; 2. 西安测绘研究所, 陕西 西安 710054)
2. X i! an R esearch Institu te of Surveying and M apping, X i! an 710054, Ch ina)
Ab stract: F ibe r optic gyroscope ( FOG ) no rth seeker is a de term in ing no rth sy stem tha t utilizes the ho rizontal com ponents o f the ea rth rotation rate sensed by FOG w hen FOG is at rest re lative to the earth. T he ang les be tw een the base and the hor izonta l p late have great effect on the or ientation accuracy. In order to de tect the attitude ang les ( ro ll ang le and p itch ang le) o f the carr ier at the sam e tim e and com pensate the outputs o f the FOG, a high precise ang le senso r is developed, wh ich adopts doub le ax is quartz flex ible acce le rome ter as de tecting sensor. By m aking use o f the outputs o f the accelerom eter at two directionsw ith a phase difference o f 180 , the tilt ang les between the base and the hor izonta l plate can be accurate ly ca lcu lated and the constant offsets of the acce le rome ter a re e lim inated. T he tilt ang le sensor is easy to imp lem ent and has high m easur ing accuracy. K ey w ords: FOG no rth seeker; acce lerom ete r; tilt ang le senso r; A /D conve rs ion
地球以恒定的 自转角 速率 绕地 轴旋转。 利用 FOG 测 量地球自转角 速率 的水 平分 量可 以获 得被 测点 的北 向信 息, 经过解算得到 FOG 敏感轴轴与真北方向 的夹角。研究
表明: 安装陀螺的基座平面与水平面存在较大倾角时, 寻北 精度会受到较 大的影响。基座平面绕垂直于陀螺轴的倾角 会直 接引起一个同样量级 的方位 角测量 误差, 从而在 较大 程度 上影响寻北精度; 基座平面 绕陀螺 轴的倾 角对方 位角 测量 的影响相对较小。为了 提高寻 北精度, 必须 测量 基座 平面 的姿态角, 并对陀螺输出值进行补偿 [ 4, 5]。 1 倾角测量原理
2. 2 数据采集系统软件设计 系统采用 DSP对加速度计进 行数据 采集, 对其采 取查
询的 方式启动数据采集 作业, 如图 3所 示。系统 上电 复位 后, 首先对 AD 7705进行 初始 化, 然后, 设 置循 环 定时 采样 周期。当软件定时器时 间到时, 对 flag 置 1, 开 始采集 加速 度计的数据。对 AD 7705发 送采 样转 换信 号, 待 两路 模拟 信号 依次转换 完成 后存 储数 据。完成 一次 数 据采 集工 作 后, 同时, 将两 路加速度计数据进行处理、存储, 并等待下一 个数 据采 集周 期。 由 于 AD7705 转 换 速 率 可 达 100 kSPS (总转换时间 10 ps) , 而 本系 统 A /D 转 换所 需的 采样 频率 不高, 两路 A /D 采用分时转换的方式完 全可以满足 系统实