MEMS-倾角传感器
scl3300倾角传感器转换成角度的公式
文章标题:深入探讨scl3300倾角传感器转换成角度的公式一、概述在工程领域和科学研究中,倾角传感器被广泛应用于测量物体的倾斜角度。
其中,scl3300倾角传感器因其高精度和稳定性而备受青睐。
但是,倾角传感器所得到的原始数据通常以电压或数字信号的形式呈现,我们需要借助特定的公式进行转换,以得到物体的真实倾斜角度。
本文将为你深入解析scl3300倾角传感器转换成角度的公式,帮助你更好地理解和应用该传感器。
二、scl3300倾角传感器简介scl3300倾角传感器是一种MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)倾斜传感器,其核心部件包括微机械感应器和微电子技术。
它能够实时、精确地测量物体相对水平面的倾斜角度,通常用于测量工程设备、航空航天器件和地质勘探等领域。
scl3300倾角传感器在工业自动化和智能化控制中具有重要的应用价值。
三、scl3300倾角传感器输出电压与角度间的关系要将scl3300倾角传感器测得的原始电压信号转换成倾斜角度,我们首先需要了解scl3300传感器的输出特性。
通常情况下,scl3300传感器输出的电压信号与其倾斜角度呈线性关系。
即可表示为以下公式:V = kθ + b其中,V表示传感器输出的电压信号,k为传感器的灵敏度系数,θ代表倾斜角度,b是偏置误差。
在实际应用中,我们需要通过实验测得k和b的具体数值,然后根据上述公式将原始电压信号转换成真实的倾斜角度。
四、scl3300倾角传感器角度转换公式的推导为了更加深入地理解scl3300倾角传感器转换成角度的公式,我们将对上述公式进行推导。
1. 对公式进行改写,得到:θ = (V - b)/k其中,我们将公式中的V、k和b的位置进行调换,即可得到倾斜角度θ的表达式。
2. 使用最小二乘法,求解k和b的数值。
最小二乘法是一种数学优化方法,能够通过最小化误差的平方和来估计模型的参数。
具体求解过程略。
3. 将实验测得的k和b代入上述公式,即可得到最终的角度转换公式。
Mems
科技应用20 2015年10期Mems倾角传感技术在测量仪器研制上的设想张波工程兵学院道路教研室,江苏徐州 221004摘要:在工程几何测量中,角度测量占据着重要的地位。
由于工业体系中对于角度测量技术要求的不断提高,应用在许多的测量现场。
由于现有的角度测量仪器局限于测量范围、精度还有体积和功能损耗等多方面的影响,不能够满足与现如今的许多测量要求。
关键词:Mems倾角传感技术;测量仪器;设想中图分类号:TH712 文献标识码:A 文章编号:1671-5780(2015)10-0020-021 倾斜角测量原理生活及工程应用当中,设备倾斜角的测量场合非常之多,使用电子式倾角检测仪可以大大提高工作效率以及准确度。
利用微机电(Microelectromechanical)重力加速度计实现倾斜角测量已成为一种广泛应用的方法。
特别是三轴重力加速度计三个轴分量的输出,使得其在测量摆幅、方位上得到兼顾,设计了一款全摆幅、全方位、高精度的智能化三轴倾斜角传感器。
重力传感器放置于重力场中,在传感轴方向上存在重力的分量,根据三角函数可解算出传感器的倾斜角。
如图1单轴倾角检测示意图,感应轴x轴与重力g方向垂直,倾斜角为θ,则x轴输出加速度为:图1 重力加速度计倾斜检测示意图增量灵敏度为单位倾斜角步进的输出变化。
设倾斜角为θ,步进值设为p,则增量灵敏度为:在步进值一定的要求下,随着倾斜角变化,灵敏度变化须在加速度计的分辨率之内,转换得到的倾斜角才能满足应用要求。
这里以0.1°步进值为例,使用Matlab仿真计算倾斜角θ在±90°范围内的增量灵敏度,如图2所示。
在0°时,灵敏度最高,此时须1.745mg的输出灵敏度;单轴重力加速度计无法实现全倾角范围内高精度测量。
为实现这一要求,须把双轴加速度传感器垂直放置,一个传感方向与重力方向垂直,一个传感方向与重力方向平行。
倾斜角为θ,则输出加速度值为:图2 单轴±90°范围内增量灵敏度式(5)表明增量灵敏度仅是步进值的函数,仿真计算0~1°步进的增量灵敏度,若要求输出步进值为0.1°,则重力加速度计分辨率须达到1.7453mg/LSB,该值为恒定值,可解决单轴无法实现全摆幅测量的问题。
水平传感器原理
水平传感器原理水平传感器是一种用于检测物体水平位置的传感器,它可以应用于各种领域,如工业自动化、机器人、汽车等。
本文将详细介绍水平传感器的原理。
一、水平传感器的基本原理水平传感器的基本原理是利用重力作用下产生的力矩来判断物体是否处于水平位置。
在重力作用下,物体会受到一个向下的重力,重心会向下移动,从而产生一个向上的反作用力矩。
当物体处于水平位置时,反作用力矩与重心向下移动产生的力矩相等,物体处于平衡状态。
二、常见的水平传感器类型1. 倾角传感器倾角传感器是一种通过检测物体相对于地面或其他参考面的倾斜角度来确定其水平位置的传感器。
它通常使用MEMS技术制造,并且可以通过数字或模拟信号输出倾斜角度值。
倾角传感器通常具有高精度和快速响应时间,并且可以在恶劣环境下工作。
2. 气泡级管气泡级管是一种非常简单但有效的水平检测装置。
它包含一个透明玻璃管和一些液体,通常是酒精或水。
当物体放置在气泡级管上时,液体会移动到玻璃管的底部,并且气泡会移动到玻璃管的顶部。
如果气泡位于中央,则物体处于水平位置。
3. 压电传感器压电传感器是一种利用压电效应来检测物体水平位置的传感器。
它包含一个压电元件和一个负责读取压电元件电信号的放大器。
当物体处于水平位置时,重心会施加压力在压电元件上,从而产生一个电信号输出。
三、水平传感器的应用1. 工业自动化工业自动化是水平传感器最常见的应用之一。
它们可以用于机械加工、装配线和流程控制系统中,以确保机器和设备处于正确的位置。
2. 机器人机器人需要准确地知道其末端执行器相对于基座的位置和方向。
因此,倾角传感器通常被嵌入到机械臂中,以便机械臂可以精确地控制其运动。
3. 汽车汽车需要精确地测量其倾斜角度,以便它们的稳定性和安全性。
因此,倾角传感器通常被嵌入到车辆的悬挂系统中,以便车辆可以自动调整其悬挂系统并保持平衡。
总之,水平传感器是一种非常重要的传感器,它可以应用于各种领域,并且在许多行业中都是必不可少的。
倾角传感器的工作原理
倾角传感器的工作原理倾角传感器的工作原理基于重力传感技术。
它通过测量被测物体与重力方向之间的夹角来确定物体的倾斜度。
倾角传感器通常由一个传感器单元和一个信号处理单元组成,传感器单元负责测量物体的倾斜角度,而信号处理单元负责将传感器单元测得的数据转化为可供用户使用的信号。
常见的倾角传感器有三轴加速度传感器和MEMS传感器。
三轴加速度传感器是基于加速度计原理来测量物体倾斜度的,它可以同时测量三个方向上的加速度,从而得出物体的倾斜角度。
MEMS传感器是一种微型电子机械系统传感器,利用微机电技术制造而成,具有体积小、功耗低、灵敏度高等特点。
1.加速度测量:倾角传感器通过测量物体的加速度来确定其倾斜度。
加速度计利用质量的惯性原理,通过测量在物体上施加的力对其所产生的加速度进行测量。
一般来说,传感器会基于加速度的改变量来测量。
2.数据转换:倾角传感器测得的加速度数据会被传送至信号处理单元,经过数据转换后得到倾角数据。
数据转换过程中需要进行滤波、放大、校准等处理,以确保得到准确且稳定的倾角数据。
3.数据输出:倾角传感器最终将倾角数据输出给用户。
这些数据可以通过电压信号、数字信号、模拟信号等形式进行输出,用户可以根据需要对数据进行进一步处理和分析。
值得注意的是,倾角传感器的工作原理还可根据不同的应用和具体型号存在差异。
例如,一些倾角传感器可能还会包括温度传感器、电压传感器等其他功能,以提供更全面的倾斜度信息。
在实际应用中,倾角传感器可以通过各类传输方式与其他设备进行连接,从而实现倾斜度的实时监测和控制。
例如,在机械工程中,倾角传感器可以用于测量和控制各种移动部件的倾斜度,以确保设备正常工作;在航空航天领域,倾角传感器则可以用于卫星、飞机等的姿态控制和导航。
总结起来,倾角传感器是一种用于测量物体倾斜度的设备。
通过测量物体加速度来得出物体的倾斜角度,并通过信号处理单元将测得的数据转换为用户可用的信号。
倾角传感器具有重要的应用价值,可以在自动化控制、机械工程、航空航天等领域中实现倾斜度的测量和控制。
高精度双轴倾角传感器 SCA100T
高精度双轴倾角传感器SCA100T
SCA100T是基于3D-MEMS技术的双轴倾角传感器系列,具有仪表级性能,用于水平垂直测量。
其传感单元的测轴分别与水平和垂直面平行。
具有低的温度影响,高分辨率,低噪声,抗干扰设计,是水平测量的理想选择。
VTI公司的倾角传感器有超阻尼敏感单元,故可承受高达20000g的机械冲击。
*(MEMS是微机电系统[Micro-Electro-Mechanical Systems]的缩写。
MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分,它是在融合多种微细加工技术,并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。
)
技术规格。
倾角传感器原理
倾角传感器原理可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。
理论基础就是牛顿第二定律,根据基本的物理原理,在一个系统内部,速度是无法测量的,但却可以测量其加速度。
如果初速度已知,就可以通过积分计算出线速度,进而可以计算出直线位移。
所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。
当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用,那么作用在它上面的只有重力加速度。
重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。
随着MEMS技术的发展,惯性件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一,而微加速度计(microaccelerometer )就是惯性传感器件的杰出代表。
作为最成熟的惯性传感器应用,现在的MEMS加速度计有非常高的集成度,即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。
倾角传感器把MCU MEMS加速度计,模数转换电路,通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。
可以直接输出角度等倾斜数据,让人们更方便的使用它。
其特点是:硅微机械传感器测量(MEMS以水平面为参面的双轴倾角变化。
输出角度以水准面为参考,基准面可被再次校准。
数据方式输出,接口形式包括RS232、RS485和可定制等多种方式。
抗外界电磁干扰能力强。
承受冲击振动10000G一、倾角传感器原理经常用于系统的水平测量,从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器,下面就它们的工作原理进行介绍。
1、“固体摆”式惯性器件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)F=GsinU (I)其中,B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0成线性关系。
如应变式倾角传感器就基于此原理。
2、“液体摆”式惯性器件召二浅年厅原记-示意用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。
mems 计算倾角
mems 计算倾角用MEMS计算倾角MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是一种微型电子机械系统,通常由微型传感器、微处理器和微机械组件组成。
在工程和科学领域,MEMS被广泛应用于测量和控制应用中。
其中一个常见的应用是测量物体的倾角或倾斜度。
本文将介绍如何使用MEMS 计算倾角,并探讨一些相关的技术和应用。
我们需要了解MEMS传感器的工作原理。
MEMS传感器通常基于微机械系统的变形或位移来测量物体的倾角。
常见的MEMS传感器包括加速度计和陀螺仪。
加速度计用于测量物体的线性加速度和倾斜度,而陀螺仪用于测量物体的角速度和旋转。
借助MEMS传感器,我们可以计算物体的倾角。
倾角是物体相对于重力矢量的角度。
传统上,倾角可以通过使用水平仪或倾斜仪来测量。
然而,现代技术的发展使得使用MEMS传感器更为方便和准确。
要计算倾角,我们首先需要获取MEMS传感器的输出数据。
这些数据通常以数字信号的形式提供,可以通过连接传感器到微处理器或电脑来获取。
接下来,我们需要将这些数字信号转换为物体的倾角。
对于加速度计,我们可以使用三轴加速度计的输出数据来计算物体的倾角。
通过测量物体在三个方向上的加速度,我们可以计算出物体相对于重力的倾角。
这可以通过应用三角函数来实现。
具体而言,我们可以使用反正切函数来计算物体在水平方向和垂直方向上的倾角。
然后,我们可以使用这些倾角来计算物体的综合倾角。
对于陀螺仪,我们可以使用其输出的角速度数据来计算物体的倾角。
通过积分陀螺仪的角速度数据,我们可以获得物体相对于初始位置的旋转角度。
然后,我们可以使用这个旋转角度来计算物体的倾角。
除了计算倾角,MEMS传感器还可以用于其他应用,如姿态控制和导航。
通过结合加速度计和陀螺仪的输出数据,我们可以实现更精确的姿态控制和导航。
例如,在飞行器中,MEMS传感器可以用于测量飞行器的姿态和方向,从而实现准确的飞行控制。
总结起来,MEMS传感器是一种用于测量倾角和姿态的微型电子机械系统。
MEMS-倾角传感器
目录
倾角传感器简介 倾角传感器分类及其原理 电容式加速度微传感器 倾角传感器测量原理 总结
倾角传感器简介
在建筑施工或道路铺修中, 经常要对工程机 械或机架装置进行调平校准, 并且要对施工 质量进行检测, 这时遇到最多的问题就是水 平与倾斜的测量。如果能设计一种带数字显 示及数字通讯接口的倾角传感器, 用以代替 基于水泡的各种水平尺等简陋工具, 既可以 安装到这些施工机械上用于自动调平, 也可 以作为对施工质量进行检测的仪表, 就正好 适应了这种行业工作的需求。
微加速度传感器
MEMS 加速度传感器是惯性器件的一个大的种 类,以其制造采用集成电路的加工工艺而明显 地区别于其他惯性传感器,其优点在于寿命更 长、制造成本低廉且可靠性更高。此外, 还具 有体积更小、重量更轻、耗电量更小、易集成、 能大批量生产等特点。
微加速度传感器的种类
压阻式加速度微传感器 电容式加速度微传感器 谐振式加速度微传感器 伺服式加速度微传感器 隧道型加速度微传感器
tan1 ( Ay / Ax )
倾角传感器硬件系统
倾角传感器软件流程图
实验结果
在0 ~ 360° 测 量范围内,测量 精度可达到 ±0.3°,测量角 度分辨率为0.01°
总结
基于加速度传感器的倾角传感采用CAN总线通 讯, 保证了通讯的稳定、可靠, 采用先进的传元 件, 精度高, 响应快; 质量轻, 外形小巧, 安装 方便, 坚固耐用, 防护等级达到IP67, 是一款满 足机械特定需求的数字式角度测量装置。
“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θ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。
倾角传感器的工作原理
倾角传感器的工作原理
倾角传感器是一种用于测量物体相对平衡位置的设备。
其工作原理基于重力传感技术和电子传感器原理。
重力传感技术是指利用重力作用在物体上的力来测量物体的倾斜角度。
传感器内部通常装有一个或多个微型加速度计,加速度计测量物体在不同方向上的加速度,然后将这些数据转换为倾角信息。
在倾角传感器中,通常采用微电子机械系统(MEMS)加速度计。
这些加速度计内部包含一个微小的质量弹簧系统,当物体倾斜时,质量系统会受到重力的作用,产生位移。
位移会导致弹簧产生力的变化,该变化会被转换为电信号。
倾角传感器还可能包括陀螺仪、磁力计等其他附加的传感器,以提高测量的准确度和稳定性。
陀螺仪可以测量物体的角速度,进而推断物体的角度变化。
磁力计则可用于校准传感器,以便消除地磁干扰。
接下来,通过模拟电路或数字处理器对采集到的数据进行处理和转换,将其转化为倾角数值。
通过使用校准和滤波算法,可以提高倾角传感器的精度和抗干扰能力。
最后,倾角数值可以通过显示屏、计算机接口等方式输出,用于实时显示或者数据记录。
倾角传感器广泛应用于机械设备、工程测量、航空航天等领域,用于精确测量和控制物体的倾斜角度。
MEMS传感器
一文读懂MEMS传感器什么是MEMS传感器?MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro-ElectroMechanical System),微机电系统是指可批量制作的,将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等集成于一块或多块芯片上的微型器件或系统。
而MEMS传感器就是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。
MEMS是用传统的半导体工艺和材料,以半导体制造技术为基础发展起来的一种先进的制造技术,学科交叉现象极其明显,主要涉及微加工技术,机械学/固体声波理论,热流理论,电子学、材料、物理学、化学、生物学、医学等等。
经过四十多年的发展,已成为世界瞩目的重大科技领域之一。
加工工艺:MEMS技术基于已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。
它与传统的IC工艺有许多相似之处,如光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光工艺等,但是有些复杂的微结构难以用IC工艺实现,必须采用微加工技术制造。
微加工技术包括硅的体微加工技术、表面微加工技术和特殊微加工技术。
体加工技术是指沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺,包括湿法刻蚀和干法刻蚀,是实现三维结构的重要方法。
表面微加工是采用薄膜沉积、光刻以及刻蚀工艺,通过在牺牲层薄膜上沉积结构层薄膜,然后去除牺牲层释放结构层实现可动结构。
除了上述两种微加工技术以外,MEMS制造还广泛地使用多种特殊加工方法,其中常见的方法包括键合、LIGA、电镀、软光刻、微模铸、微立体光刻与微电火花加工等。
应用材料:硅基材料:大部分集成电路和MEMS的原材料是硅(Si),这个神奇的VI族元素可以从二氧化硅中大量提取出来。
而二氧化硅是什么?说的通俗一点,就是沙子。
沙子君在经历了一系列复杂的加工过程之后,就变成了单晶硅,长这个样子:这个长长的大柱子,直径可以是 1 inch (2.5 cm) 到 12 inch (30 cm),被切成一层层 500 微米厚的硅片(英文:wafer,和威化饼同词),长这个样子:采用以硅为主的材料,电气性能优良,硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度与铝类似,热传导率接近钼和钨。
mems传感器的工作原理及应用
MEMS传感器的工作原理及应用1. 什么是MEMS传感器MEMS传感器(Microelectromechanical Systems Sensors)是一种集成微纳制造技术与传感器技术于一体的传感器。
它由微机电系统(Microelectromechanical Systems,简称MEMS)技术制造而成,具有微秒级响应速度、微米级灵敏度和微瓦级功耗的特点。
2. MEMS传感器的工作原理MEMS传感器利用微机电系统技术将传感元件制造在芯片上,通过检测物理量的变化来获得所需的信号。
下面介绍几种常见的MEMS传感器及其工作原理:2.1 加速度传感器加速度传感器是一种常见的MEMS传感器,能够检测物体在三个方向上的加速度变化。
其工作原理基于牛顿第二定律,利用质量块与弹簧系统的运动来检测加速度变化。
•工作原理:1.加速度传感器内部包含一个质量块,可通过弹簧固定在一个外壳上。
2.当传感器受到加速度作用时,质量块与外壳之间产生相对位移。
3.基于压电效应或电容变化等原理,测量相对位移,并将其转化为电信号输出。
2.2 压力传感器压力传感器是一种常用的MEMS传感器,可用于测量气体或液体的压力变化。
其工作原理基于压电效应或电阻变化来检测压力变化。
•工作原理:1.压力传感器内部设计有感应膜,通常采用金属或半导体材料制成。
2.当传感器受到压力作用时,感应膜产生弯曲。
3.基于压电效应或电阻变化等原理,测量感应膜的变化,并将其转化为电信号输出。
2.3 温度传感器温度传感器是一种广泛应用于工业和消费电子等领域的MEMS传感器,可测量物体的温度变化。
其工作原理基于热敏材料的电阻特性来检测温度变化。
•工作原理:1.温度传感器内部包含一个热敏元件,通常采用电阻器或热敏电阻器制成。
2.当传感器受到温度变化影响时,热敏元件的电阻值会发生变化。
3.通过测量热敏元件的电阻值变化,并将其转化为温度值输出。
3. MEMS传感器的应用MEMS传感器在各个领域都有广泛的应用,下面列举几个常见的应用领域:3.1 汽车行业•制动系统:MEMS加速度传感器可用于检测车辆的加速度变化,实现主动安全功能。
倾角传感器的工作原理
倾角传感器的工作原理1.动态重力补偿:倾角传感器通常基于微机电系统(MEMS)技术制造。
其中一个关键组件是微型加速度计,用于检测物体的加速度。
通过测量加速度传感器的输出信号,可以确定物体的倾斜角度。
然而,只有当物体处于静止状态时,此方法才能准确测量倾角。
因此,需要动态重力补偿来消除加速度引起的误差。
这通常通过使用陀螺仪来实现。
陀螺仪能够测量物体的旋转速度,并提供一个稳定的参考坐标系,以使倾角传感器的输出更准确。
2.原理性倾斜触发器:另一种常见的倾角传感器是基于原理性倾斜触发器。
它们基于物理原理,利用电场或磁场来检测物体的倾斜状态。
例如,一个电容式倾斜传感器包含两个电极,并通过在基板上制造一种周期性变化的电容来工作。
当物体倾斜时,电容的值会变化,从而导致电压或电流的变化。
传感器可以测量这种变化,并将其转换为倾角的度量。
3.激光测量:一些高精度的倾角传感器使用激光进行测量。
它基于激光干涉原理,通过测量光束在物体表面的反射或折射来确定倾角。
这种方法提供了非常高的测量精度和分辨率,并且适用于需要高精度倾角测量的应用领域,如天文学和精密制造。
4.MEMS技术:如前所述,倾角传感器通常基于微机电系统(MEMS)技术制造。
MEMS技术使用微型传感器和微电子器件在微米尺度上制造出来,具有体积小、低功耗和成本低等优点。
倾角传感器中的微型加速度计和陀螺仪就是MEMS器件的典型例子。
它们通常通过微电路板连接到数据采集和处理单元,最终输出倾角数据。
综上所述,倾角传感器的工作原理可以基于动态重力补偿、原理性倾斜触发器、激光测量和MEMS技术等方面。
不同的倾角传感器采用不同的原理和技术,以满足不同应用领域的要求。
随着科技的进步,倾角传感器的测量精度和稳定性不断提升,将在更多领域得到应用。
基于MEMS加速度传感器的云高仪倾角和振动测量
t .Crut o dg a a daa go t t i a ’ftr gadajs n eed s n daeri eurm nso ss m ad e d i i f it n n l up g l i ei n dut gw r ei e eodn t rq i et f yt n c s il o u sn s l n i g go e e
器的信 号特点 , 研制 了外部信 号滤波调 理 电路 , 并对不 同的滤 波参数进 行 了实验 比较 分析 。结果表 明 : 该方案 利 用一 片
M M E S加 速 度 传 感 器 的数 字 和模 拟 输 出 , 别进 行 滤 波调 理 , 时 实现 精 密 的 倾 角 和振 动 测 量 。 测 量 方 案 满 足 系统 要 求 , 分 同
c i mee sa d h v d a tg s o malsz el o tr n a e a v na e fs l ie,h g ei bl y a d lw c s . ih r l i t n o o t a i
K e o ds a c l rm ee ; c io t r it vbrto y w r : c e eo t r elme e ;tl; i a in
有效辅助 了云高的测量 , 电路 构成体积小 、 可靠性 高、 成本较低 。
关 键 词 : 速 度 传 感 器 ; 高仪 ; 角 ; 动 加 云 倾 振
中 图分 类号 :P 1 T22
文献标识码 : A
文 章 编 号 :02—14 ( 0 0 l 0 2 0 10 8 1 2 1 ) 0— 07— 4
c aa trsiso c e eo tr S h me fdf r n l r g p r mee s w r e td a d t e r s l r n l z d h r ce it fa c lr mee . c e s o i e e tf t i aa t r e e t se n h e u t we e a a y e .T e e p r c f i en s h xe — i me tld t h w ta n MEMS a c lr me e ’ ii la d a ao u p t c n b s d t a u e t ta e la ir t n o n a aa s o h ta c ee o tr S dg t n n lg o tu s a e u e o me s r i s w l s vb ai fa a l o
倾角传感器测量原理【详解】
内容来源网络,由“深圳机械展(11万㎡,1100多家展商,超10万观众)”收集整理!
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倾角传感器测量原理
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倾角传感器含义:
角度计量是几何量计量的重要组成部分。角度量的范围广,平面角按平面所在的空间位置可分为:在水平面内的水平角(或称方位角),在垂直面内的垂直角(或倾斜角),空间角是水平角和垂直角的合成;按量程可分为圆周分度角和小角度;按标称值可分为定角和任意角;按组成单元可分为线角度和面角度;按形成方式可分为固定角和动态角,固定角是指加工或装配成的零组件角度,仪器转动后恢复至静态时的角位置等;动态角是指物体或系统在运动过程中的角度,如卫星轨道对地球赤道面的夹角,精密设备主轴转动时的轴线角漂移,测角设备在一定角速度和角加速度运动时,输出的实时角度信号等。
倾角传感器原理:
理论基础是牛顿第二定律:根据基本的物理原理,在一个系统内部,速度是无法测量的,但却可以测量其加速度。如果初速度已知,就可以通过积分算出线速度,进而可以计算出直线位移,所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。
测斜仪原理
测斜仪原理测斜仪是一种用于监测土体和结构物体变形的仪器,它能够实时、准确地监测土体或结构物的倾斜变化情况。
测斜仪的原理是基于倾角测量技术,通过测量目标物体相对于水平面的倾斜角度来判断其变形情况。
下面将详细介绍测斜仪的原理。
首先,测斜仪的核心部件是倾角传感器,它能够感知目标物体的倾斜角度。
倾角传感器通常采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术或者激光测距技术,能够实现高精度的倾斜角度测量。
倾角传感器内部包含有振动陀螺仪或者加速度计,通过测量物体在三维空间内的加速度变化来计算出目标物体的倾斜角度。
其次,测斜仪还需要配备数据采集和传输系统,用于将倾斜角度的数据传输到监测中心或者数据采集终端。
数据采集和传输系统通常包括数据采集模块、数据传输模块和数据接收模块。
数据采集模块负责采集倾斜角度数据,数据传输模块负责将采集到的数据通过有线或者无线方式传输到数据接收端。
数据接收端可以是监测中心的计算机或者数据采集终端,用于实时监测和分析目标物体的倾斜变化情况。
另外,测斜仪的原理还涉及到安装和校准技术。
测斜仪的安装位置和安装方式对监测效果有着重要影响,通常需要根据监测对象的特点和监测要求进行合理的安装设计。
同时,测斜仪在使用前需要进行严格的校准,确保测斜仪能够准确、稳定地测量倾斜角度。
校准过程中需要考虑到环境因素、仪器本身的误差和安装误差等多方面因素,通过专业的校准设备和方法来保证测斜仪的测量精度。
总的来说,测斜仪的原理是基于倾角测量技术,通过倾角传感器、数据采集和传输系统以及安装和校准技术来实现对土体和结构物变形的实时监测。
测斜仪在地质灾害监测、工程结构监测和地下管线监测等领域具有重要的应用价值,能够帮助人们及时发现和预防潜在的安全隐患。
随着科技的不断进步,测斜仪的原理和技术也在不断完善和提升,将为工程监测和地质灾害预警提供更加可靠的技术支持。
高精度倾角传感器原理
高精度倾角传感器原理
高精度倾角传感器利用MEMS技术(微电子机械系统)和陀
螺仪原理来测量物体的倾角。
以下是高精度倾角传感器的工作原理和设计:
1. 加速度计原理:高精度倾角传感器通常通过内置的加速度计来测量物体的加速度。
加速度计由微小的质量块和感应器组成,质量块受力后会引起微小的振动,感应器会测量这种振动并转换成电信号。
通过分析加速度信号的变化,传感器可以计算出物体相对于重力的倾角。
2. 陀螺仪原理:陀螺仪是测量旋转或角速度的装置,高精度倾角传感器中的陀螺仪用于测量物体的角速度和姿态角变化。
陀螺仪中的旋转部件(如旋转的转子)受到物体的旋转作用力,当物体发生姿态角变化时,旋转部件也会发生变化。
传感器测量这种变化并转换成电信号,从而计算出物体的角度变化。
3. 数据处理和校准:传感器通过内置的数据处理器进行信号处理和校准,以提高测量的精度和准确性。
数据处理器会对加速度计和陀螺仪生成的原始数据进行滤波、放大和校正。
滤波操作可以去除高频噪音和振动,放大操作可以增强信号强度,而校正操作可以消除传感器的误差和漂移。
4. 输出信号:高精度倾角传感器通常通过模拟输出(如电压或电流信号)或数字输出(如RS232、RS485或CAN总线)的
方式将测量结果传递给外部设备。
输出信号可以传递物体的实时倾角数据,使得外部设备可以根据倾角信息做出相应的控制
或决策。
综上所述,高精度倾角传感器主要利用加速度计和陀螺仪原理来测量物体的倾角和姿态角变化,并通过内置的数据处理器和输出接口提供高精度和可靠的测量结果。
一种基于MEMS的无线倾角自组网检测装置设计
52M i c r o c o n t r o l l e r s &E m b e d d e d S ys t e m s 2021年第2期w w w .m e s n e t .c o m .c n一种基于M E M S 的无线倾角自组网检测装置设计王玉净1,2,侯战斌1,2,杜君1,2,闻志国1,2,李岩1,2(1.北京智芯微电子科技有限公司国家电网公司重点实验室电力芯片设计分析实验室,北京100192;2.北京智芯微电子科技有限公司北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心)摘要:针对基建项目中检测倾角的应用需求,以单片机为主处理器设计了基于微机电系统(M E M S)三轴加速度计的倾角检测装置㊂方案以三角学为算法基础,实现了对倾角的高精度检测,并通过无线通信实现数据传输功能㊂实验结果表明,其可用于基建组塔中对抱杆倾斜角度的检测,具有高可靠性㊁低功耗的特点,且可扩展用于需要检测倾角的各种场合㊂关键词:微机电系统;加速度计;倾角;三角学;自组网;无线通信中图分类号:T P 23 文献标识码:AD e s i g n o f W i r e l e s s I n c l i n a t i o n S e l f -o r g a n i z i n g Ne t w o r k D e t e c t i o n D e v i c e B a s e d o n M E M S W a n g Y u j i n g 1,2,H o u Z h a n b i n 1,2,D u J u n 1,2,W e n Z h i gu o 1,2,L i Y a n 1,2(1.S t a t e G r i d K e y L a b o r a t o r y o f P o w e r I n d u s t r i a l C h i p D e s i g n a n d A n a l y s i s T e c h n o l o g y ,B e i j i n g S m a r t -C h i pM i c r o e l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y C o .,L t d .,B e i j i n g 100192,C h i n a ;2.B e i j i n g E n g i n e e r i n g Re s e a r c h C e n t e r of H igh -r e li a b i l i t y I C w i t h P o w e r I n d u s t r i a l G r a d e ,B e ij i n g S m a r t -C h i p M i c r o e l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y Co .,L t d .)A b s t r a c t :A i m i n g a t t h e a p p l i c a t i o n d e m a n d o f i n c l i n a t i o n a n g l e d e t e c t i o n i n i n f r a s t r u c t u r e p r o je c t ,a n i n c l i n a t i o n d e t e c t i o n d e v i c e b a s e d o n M i c r o E l e c t r o m e c h a n i c a l S y s t e m (M E M S )t r i a x i a l a c c e l e r o m e t e r i s d e s i g n e d .B a s e d o n t h e t r i g o n o m e t r y a l go r i t h m ,t h e s c h e m e r e a l i z e s t h e h i g h p r e c i s i o n d e t e c t i o n o f i n c l i n a t i o n a n g l e ,a n d r e a l i z e s t h e d a t a t r a n s m i s s i o n t h r o u g h w i r e l e s s c o mm u n i c a t i o n .T h e e x pe r i m e n t r e -s u l t s s h o w t h a t i t c a n b e u s e d t o d e t e c t t h e t i l t a n g l e of t h e p o l e i n t h e t o w e r .I t h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f h igh r e li a b i l i t y a n d l o w p o w e r c o n s u m pt i o n ,a n d c a n b e e x t e n d e d t o v a r i o u s o c c a s i o n s t h a t n e e d t o d e t e c t i n c l i n a t i o n .K e yw o r d s :m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ;a c c e l e r o m e t e r ;t i l t a n g l e ;t r i g o n o m e t r y ;s e l f -o r g a n i z i n g n e t w o r k ;w i r e l e s s c o mm u n i c a t i o n 0 引 言微机电系统(M i c r o E l e c t r o m e c h a n i c a l S ys t e m ,M E M S )加速度传感器在当今众多电子设备中发挥着重要作用㊂本文主要介绍一种应用于电网基建系统,检测杆塔倾斜角度的装置,其采用低功耗单片机和M E M S 加速度计及无线通信芯片,设计简单,具有高可靠性㊁良好的稳定性和高精度㊂支持X ㊁Y 两个轴向的倾角检测,测量角度范围宽,测量误差在-0.01~+0.01范围内,数据通过无线方式传输,且其低功耗设计可支持电池供电下的长期工作㊂1 原理及算法首先对加速度计测量倾角的原理做出详细的说明,其次介绍数据的无线通信方法,这两点是本装置要解决的核心问题㊂1.1 倾 角本装置选用的三轴倾角计算的方法是从参考位置单独确定加速度计每个轴的角度㊂参考位置为设备的典型取向,X 轴和Y 轴在水平面上(0g 场),X 轴与Y 轴正交,Z 图1 三轴倾角角度轴与水平面正交(1g 场)㊂三轴倾角角度如图1所示,θ为加速度计的X 轴与水平面之间的角度,ψ为加速度计的Y敬请登录网站在线投稿(t o u g a o.m e s n e t.c o m.c n)2021年第2期53轴与水平面之间的角度,ϕ为重力矢量与Z轴之间的角度㊂本装置支持的两轴(X轴,Y轴)角度,分别对应角θ和角ψ㊂当在X轴和Y轴上为0g,Z轴上为1g的初始位置时,所有计算的角度都为0ʎ㊂根据基本三角学,倾角可以用下式来计算:θ=t a n-1A X,O U TA2Y,O U T+A2Z,O U Tψ=t a n-1A Y,O U TA2X,O U T+A2Z,O U Tϕ=t a n-1A2X,O U T+A2Y,O U TA Z,O U T由于使用了反正切函数和加速比,且各轴正交,在一个轴的增量灵敏度减少时,另一个轴的增加,净结果是一个有效的大致恒定的增量灵敏度,并且三轴可以精确地测量单位球面周围所有点的角度㊂1.2通信在基建现场应用时,会有多个甚至多种传感器同时工作,为了保证各传感器的数据都能正常上传,本装置采用了自组网技术,即各传感器和数据汇集终端组成了一个小的局域网㊂倾角传感器操作非常简便,现场安装后,只需按下电源开关,传感器自动完成组网,非常适合现场工人操作㊂各传感器具有唯一的设备地址,上电后,汇集终端首先在维护频段发送广播信标帧,通知在通信范围内的所有传感器组网所需参数,包括无线通信频点㊁数据速率㊁汇集终端地址等㊂然后,各传感器根据收到的信标帧,发送入网请求帧,汇集终端根据信号强度㊁传感器数量等综合考量,选择回复请求确认帧或拒绝帧,传感器收到确认帧,并完成所需通信参数的配置后,入网成功㊂若收到拒绝帧,需继续侦听广播信标帧,然后选择合适的汇集终端请求入网㊂过程中,采用C a r r i e r S e n s e M u l t i p l e A c c e s s(C S M A)[1]方式解决数据传输的冲突问题㊂C S MA方式下,网络中的所有用户共享传输介质,信息发出后,网络中各设备对接收到的信息进行确认,若是发给自己的便接收,否则不理㊂从发送端情况看,当一个设备有数据要发送时,首先监听信道并检测网络上是否有其他的设备正在发送数据,如果检测到信道忙,设备将继续等待㊂若发现信道空闲,则开始发送数据,信息发送出去后,发送端还要继续对发送出去的信息进行确认,以了解接收端是否已经正确接收到数据,如果收到则发送结束,否则再次发送㊂另外,根据网络中各信息帧的重要程度设置了不同的优先级,以保证对重要信息的实时性处理㊂2装置介绍本装置采用低功耗单片机S TM32G070[2-3]和三轴M E M S加速度计A D X L357[4],并配备无线通信芯片S X1278[5]㊂系统简单,功能强大㊂系统架构如图2所示㊂图2系统架构2.1电源装置采用特制的锂电池供电,此电池的主要特点是温度范围宽,可达-40~+65ħ,适于户外作业应用㊂电源模块采用A D P2503的b u c k b o o s t模式,可使电压稳定在系统所需要的电平,适用于单锂电池供电的设备㊂2.2M C U主处理器M C U采用S TM32G070,内核基于C o r t e x M0+,系统主频可达64MH z,外设资源丰富,封装小㊂另外,其主要特点是功耗低,特别适用于电池供电设备㊂2.3三轴加速度计A D X L357是一款低噪声㊁低漂移㊁低功耗的三轴M E M S加速度计,其工作模式电流仅为200μA,量程可设置,支持ʃ10.24g,ʃ20.48g,ʃ40.96g㊂配备20位A D C,灵敏度可达51200L S B/g㊂M C U与加速度计之间通过S P I接口进行通信,完成加速度计的配置,并获取加速度数据㊂获取的数据经上文介绍的算法进行处理后,获取两个轴的倾角值㊂2.4通信模块本装置采用无线通信,主芯片为S X1278㊂S X1278收发器主要采用L o R a远程调制解调器,用于超长距离扩频通信,抗干扰性强,能够最大限度降低电流消耗㊂本设计通信频段为470~510MH z,发射功率可达+20d B,选用定制天线配合,传输距离可达2000m㊂2.5P C B设计P C B特别注重了电磁兼容设计,在静电㊁磁场抗扰度㊁辐射发射等测试中表现良好㊂在线宽㊁敷铜间距等方面进行了特殊处理,用于保证无线通信线路的50Ω匹配㊂为了保证倾角测试精度,采用了4mm的板厚设计,大大减小了安装㊁环境温湿度变化等因素引起的形变误差㊂装置成品如图3所示㊂3验证装置实现后,需按照相关标准和实际应用进行测试验54M i c r o c o n t r o l l e r s &E m b e d d e d S ys t e m s 2021年第2期w w w .m e s n e t .c o m .c n图3 成 品证㊂本装置进行了实验室测试和现场应用验证㊂在实验室条件下,依据相关技术文件[6],使用计量标准器具:0级多齿分度台,测量范围为-30ʎ~+30ʎ,测试结果显示误差不超过ʃ0.01ʎ㊂如图4和图5所示,横轴为测试角度,纵轴为对应误差㊂另外,装置在实验室进行了电磁兼容和环境试验,均符合相关标准要求[7-8]㊂图4 X轴误差图5 Y 轴误差应用于基建组塔现场时,本装置能够实时监测抱杆倾斜角度㊂若角度超过阈值,装置就会发出报警事件,且操作简单,只需按下电源开关,装置自动实现组网,无需人力干扰,特别适用于现场环境使用㊂经过在现场安装试用,可实现预设功能[9-10],并获得了客户的好评㊂现场应用场景如图6所示㊂图6 应用环境4 结 语此装置很好地实现了倾角的测量,在各方面都能满足应用需求,然而,也存在局限性㊂它的应用环境是在重力场中,重力加速度为唯一的加速度㊂若存在其他加速度,比如在频繁高速振动的环境,测量会存在误差㊂但是,综合考虑,此装置仍不失为一种测试倾角的优质解决方案㊂参考文献[1]王泉.低速无线个域网:实现基于I E E E 802.15.4的无线传感器网[M ].北京:机械工业出版社,2015.[2]S T.S TM 32G 070D a t a S h e e t ,2018.[3]S T.S TM 32G 0X 0R e f e r e n c e m a n u a l ,2018.[4]A D X L 357D a t a S h e e t ,2017.[5]S X 1278D a t a S h e e t ,2015.[6]J J F 13522012角位移传感器校准规范[S ],2012.[7]G B T 176262018[S ],2018.[8]G B T 24232008[S ],2018.[9]Q G D W _5592010_输电线路杆塔倾斜监测装置技术规范[S ],2010.[10]Q G DW 12422015输电线路监测装置通用技术规范[S ],2015.王玉净(中级工程师),主要研究方向为电力系统及其自动化;侯战斌(中级工程师),主要研究方向为配用电领域系统及终端产品㊁安全防护㊁信息通信等技术;杜君(副高级工程师),主要研究方向为电力系统及其自动化;闻志国(中级工程师),主要研究方向为微波技术㊁无线通信及物联网技术㊂(责任编辑:薛士然 收稿日期:2020-08-25)。