全量程无线倾角传感器
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由工作原理可知， 通过对正交双轴加速度传感
器的输出进行协同互余的挂限判别法实现倾角的 360° 测量。具体的挂限判别原理如图 4 所示。
图4
挂限判别原理图
0° ，45°］时， 图 4 中， 当倾角测量范围为［ 此时 0° ，45° ］ ， 敏感轴 2 的倾角为 敏感轴 1 的倾角为［ ［ 90° ， 135° ］ ， 敏感轴 1 的灵敏度大于敏感轴 2 的灵 敏度； 采用敏感轴 1 的输出作为加速度传感器的输 出信号， 并用模型 1 进行建模得到 0° ～ 45° 的倾角。 45° ，90°］时， 当倾角测量在［ 由于敏感轴 1 的倾角 45° ， 90° ］ ， 135° ，180° ］ ， 为［ 敏感轴 2 的倾角为［ 此 时敏感轴 2 的灵敏度大于敏感轴 1 的灵敏度； 采用 并 敏感轴 2 的输出作为加速度传感器的输出信号， 用模型 2 进行建模得到 45° ～ 90° 的倾角。依此可以 将角度测量范围推广到全量程范围 。 图 5 为倾角传感器主程序流程图。
2
传感器硬件设计
由工作原理可知， 倾角传感器用单轴加速度传
感器进行测量时， 由于敏感轴是通过感测重力加速 度在敏感轴上的加速度分量来测量倾角的 ， 其输入 且当测量的倾角接 输出特性为典型的非线性特性， 近 90° 时， 其敏感轴的灵敏度很低。 当测量倾角为 90° 的时候， 其灵敏度为 0 。 所以单轴加速度传感器 不能实现 0° ～ 360° 的测量。 实际设计的全量程无 线倾角传感器如图 2 所示。
其工作原理如图 1 所示。 图中： δ 实现角度的测量， 为敏感轴 1 与水平面之间的夹角， γ 为敏感轴 2 与 g 为重力加速度， A1 （ g ） 、 A2 （ g ） 水平轴之间的夹角， 为重力加速度在敏感轴上的分量 。
图1
全量程倾角传感器工作原理图
辨率为 1 mg（ 60 Hz ） ， 可以利用单个电容调整带宽 输出， 抗冲击能力达 3 500 g， 可确保高零偏稳定性 （ 典型值优于 0. 25 mg / °C） 以及严格的灵敏度稳定性。 微处理器的主要作用是对加速度传感器的输出 挂限判别等智能信号处理， 信号进行输入输出建模、 实现对倾角的计算等。 无线射频模块主要是对测量的倾角进行无线的 收发， 选用 CC2530 片上系统解决方案。 CC2530 是 ZigBee 新一代 SOC 芯片， 为真正的片上系统解决方 支持 IEEE 802. 15. 4 标准 / ZigBee / ZigBee RF4CE 案， 和能源的应用， 拥有庞大的快闪记忆体多达 256 个字 支持新 RemoTI 的 ZigBee RF4CE； CC2530 结合了 节， 一个完全集成的， 高性能的 RF 收发器与一个 8051 微 8 kB 的 RAM ， 32 /64 /128 /256 KB 闪存， 处理器， 以及 其他强大的支持功能和外设； CC2530 提供了 101 dB 的链路质量， 优秀的接收器灵敏度和很强的抗干扰 4 种供电模式， 性， 多种闪存尺寸， 以及一套广泛的外 — —包括 2 个 USART、 12 位 ADC 和 21 个通用 设集— GPIO， 以及更多。除了具有优良的 RF 性能、 选择性 支持一般的低功耗 和业界标准增强 8051MCU 内核， CC2530 还可以配备 TI 的一个标准兼容或 无线通信， 专有的网络协议栈 （ RemoTI，Z － Stack，或 SimpliciTI） 来简化开发。因此， 采用 CC2530 不但实现了倾角 而且兼有信号处理功能， 减少硬件 测量的无线收发， 设备数量并降低了传感器的功耗。 传感器的实物如图 3 所示。
Full － range wireless tilt sensor design
SHAO Xiaomin，FU Jingqi， SU Wei
（ School of Mechatronic Engineering ＆ Automation，Shanghai University，Shanghai 200072 ，China）
收稿日期：2012 － 01 － 13 基金项目：上海市科委攻关项目支持 （ 11dz1121602 ） 作者简介：邵晓敏（ 1987 ） ， 男， 上海大学检测技术与自动化装置 专业硕士研究生， 主要研究方向为传感器的智能化 、 网络化。
2012 年第 2 期
工业仪表与自动化装置
· 95·
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工作原理
· 94·
工业仪表与自动化装置
2012 年第 2 期
全量程无线倾角传感器
邵晓敏， 付敬奇， 苏 伟
（ 上海大学 机电工程与自动化学院， 上海 200072 ） 摘要：倾角测量广泛地应用于诸多工程领域， 该文针对基于 MEMS 加速度传感器进行倾角测 设计了由双轴加速度传感器、 无线射频模块等组成的全量程无线倾角传感器， 通 量量程受限问题， 0° ～ 360° ， 过挂限判别实现了 全量程的倾角测量 并采用二次最小二乘法进行输入输出特性建模 。 试验结果表明， 倾角传感器在全量程范围内测量精度为 ± 0. 21° 。 关键词：全量程； 倾角传感器； 无线 中图分类号：TP216 文献标志码：A 文章编号：1000 － 0682 （ 2012 ） 02 － 0094 － 04
2012 年第 2 期
工业仪表与自动化装置
· 97·
f（ x1 ， x2 ） =
1 734 ≤x1 ＜ 2 483 ， 2 424 ≤x2 ＜ 2 725 = － 45. 67 + 3. 32 × 10 － 3 x1 + 1. 33 × 10 － 5 x2 1， = 138. 00 － 7. 34 × 10 － 3 x2 － 1. 27 × 10 － 5 x2 2 483 ≤x1 ＜ 2 787 ， 1 678 ≤x2 ＜ 2 424 2， = 210. 18 － 9. 29 × 10 － 2 x2 + 1. 27 × 10 － 5 x2 2 483 ≤x1 ＜ 2 787 ， 932 ≤x2 ＜ 1 678 2， = 225. 67 － 3. 32 × 10 － 3 x1 － 1. 33 × 10 － 5 x2 1 734 ≤x1 ＜ 2 483 ， 631 ≤x2 ＜ 932 1， = 306. 11 － 9. 57 × 10 － 2 x1 + 1. 33 × 10 － 5 x2 985 ≤x1 ＜ 1 734 ， 631 ≤x2 ＜ 932 1， 681 ≤x1 ＜ 985 ， 932 ≤x2 ＜ 1 678 = 149. 82 + 9. 29 × 10 － 2 x2 － 1. 27 × 10 － 5 x2 2， = 222. 00 + 7. 34 × 10 － 3 x2 + 1. 27 × 10 － 5 x2 681 ≤x1 ＜ 985 ， 1 678 ≤x2 ＜ 2 424 2， = 233. 89 + 9. 57 × 10 － 2 x1 － 1. 33 × 10 － 5 x2 985 ≤x1 ＜ 1 734 ， 2 424 ≤x2 ＜ 2 725 1， 由试验结果分析可知， 在 0° ～ 360° 范围内测量 时， 测 量 误 差 在 90° 和 270° 处 的 测 量 误 差 最 大， 为 0. 21° 。 （ 4）
倾角测量在很多实际工程中有着广泛的应用， 例如： 地质钻孔测绘和工程测量， 堤坝位移和桥梁变 形控制， 地震地壳变化监控， 机器安装和电子平衡， 飞行器控制系统， 装备平台控制系统以及各种水平 测量等
［1 ］
。
倾角的测量方式有很多种， 常见的测量方式有 固摆式、 液摆式、 气摆式等， 这些倾角测量的基本原 理均为基于重力场的变化实现测量。 随着 MEMS 技术的快速发展及微传感器的广泛应用， 很多新型 智能倾角传感器已经出现， 基于 MEMS 技术的微加 速度传感器制作的倾角传感器得到了广泛的研究与 ［2 ］ 应用。例如： Jinxing Liang 研究了一种容栅结构的 悬臂梁加速度传感器， 在 1° 范 围 内 的 分 辨 率 达 到
上进行 ， 该标定台的标定精度为 0. 02 ° ， 如图 6 所 示 。 倾角标定的输出数据通过 CC2530 以无线的 网关接收到无线发送过来 方式发送给网关设 备 ， 的数据之后 ， 将数据通过 RS232 发送给上位机做 数据监视 。
图6
实验装置图
对实验标定得到的输入输出数据进行建模处 分别以 45° ，135° ，225° ，315° 作为敏感轴的转 理，
倾角传感器利用加速度传感器感测重力加速度
安装进行测量轴 1 和轴 2 两个方向上重力加速度分 将测量得到的加速度值转化为脉宽调制信号输 量， 出。ADXL213 是一种完整的低成本、 低功耗、 双轴 加速度传感器， 提供经过信号调理、 占空比调制的输 出， 所有功能均集成于一个单芯片中。 该器件的满 既可以测量动态加 量程加速度测量范围为 ± 1. 2 g， 速度， 也可以测量静态加速度， 其输出为数字信号， 占空比 （ 脉 冲 宽 度 与 周 期 之 比 ） 与 加 速 度 成 比 例 （ 30% / g） 。占空比输出可以直接通过微控制器测 无需模数转换器。 ADXL213 具有微型化低功耗 量， 的特点， 其封装为 5 mm × 5 mm × 2 mm LCC 封 ， 典型值 ） 。 分 装 典型功耗电流为 700 μA（ V s = 5 V，
0
引言
0. 001° ； Je Chang Han［3］研究了一种可调式的容栅结 构， 在供电电压为 1 V 的条件下， 传感器的测量灵敏 ［4 ］ 度达到 0. 41 pF / g； R. Sawada 研究了一种加速度 传感器敏感梁集成微型光学编码器的方法， 在 0g ～ 1. 8g 测量范围的分辨率达到 6. 4 μg； Sergiusz Luczak 等［5 － 6］实现了双轴倾角全范围的角度测量 ， 测量 精度为 0. 3° 。 虽然基于微加速度传感器的倾角传感器被广泛 地研究和应用， 但采用该原理进行倾角测量时， 由于 传感器的输入和输出之间表现为严重的非线性 ， 尤 其是倾角较大时， 传感器的灵敏度变低， 从而使其测 量范围受到制约。该文研究了一种采用双轴加速度 传感器 ADXL213 的全量程倾角传感器， 通过将双轴 加速度传感器的同轴正交安装， 再经过挂限判别将 测量范围扩大到 0° ～ 360° Байду номын сангаас量程。 另外， 针对有线 网络存在布线不便等问题， 设计了以 CC2530 为核 心 的 无 线 射 频 模 块， 从而实现了全量程无线倾 角测量。
图2
传感器结构简图
由图 2 可知， 全量程无线倾角传感器主要由倾 角测量模块、 信号处理模块、 射频模块等组成。 传感器模块主要进行重力加速度的测量， 采用 的是双轴加速度传感器 ADXL213 。 通过正交同轴
图3 传感器实物图
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工业仪表与自动化装置
2012 年第 2 期
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传感器软件设计
图5 倾角传感器主程序流程图
0° ，90° ，180° ，270° ，360° 作 为 模 型 的 分 段 换点， 点， 对 0° ～ 360° 的数据进行二次 最 小 二 乘 曲 线 拟 合。根据挂限判别的原理可以得到如下的分段数学 模型。
4
传感器试验及建模
倾角传感器试验在 BD θ － 5 型倾斜 仪 标 定 台
重力加速度 g 在敏感轴 1 和轴 2 上的加速度分 量分别为： A1 （ g） = 1 g × sin δ （ 1） A2 （ g） = 1 g × sin γ （ 2） 因为 δ + γ = 90° ， 整理式（ 1 ） 和式（ 2 ） 可得： δ = arcsin （ A1 / g） = arccos （ A2 / g） （ 3） 通过敏感轴 1 和轴 2 上的重力加速度的分量 A1 （ g） 和 A2 （ g） 的测量值， 再带入式 （ 3 ） 进行挂限判 即可得到全量程倾角的大小。 别，
Abstract： Tilt sensor has been widely used in many engineering fields. The full － range wireless tilt sensor which is designed to overcome the limited range of tilt measurement of the accelerometer based on MEMS consists of the dual － axis accelerometer，RF modules and other components. The full range tilt measurement is realized by distinguishing each quadrant. The least squares method is used as the modeling method for the input and output characteristics. The experimental results show that the measurement accuracy of the whole range is ± 0. 21°. Key words： full － range； tilt sensor； wireless
器的输出进行协同互余的挂限判别法实现倾角的 360° 测量。具体的挂限判别原理如图 4 所示。
图4
挂限判别原理图
0° ，45°］时， 图 4 中， 当倾角测量范围为［ 此时 0° ，45° ］ ， 敏感轴 2 的倾角为 敏感轴 1 的倾角为［ ［ 90° ， 135° ］ ， 敏感轴 1 的灵敏度大于敏感轴 2 的灵 敏度； 采用敏感轴 1 的输出作为加速度传感器的输 出信号， 并用模型 1 进行建模得到 0° ～ 45° 的倾角。 45° ，90°］时， 当倾角测量在［ 由于敏感轴 1 的倾角 45° ， 90° ］ ， 135° ，180° ］ ， 为［ 敏感轴 2 的倾角为［ 此 时敏感轴 2 的灵敏度大于敏感轴 1 的灵敏度； 采用 并 敏感轴 2 的输出作为加速度传感器的输出信号， 用模型 2 进行建模得到 45° ～ 90° 的倾角。依此可以 将角度测量范围推广到全量程范围 。 图 5 为倾角传感器主程序流程图。
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传感器硬件设计
由工作原理可知， 倾角传感器用单轴加速度传
感器进行测量时， 由于敏感轴是通过感测重力加速 度在敏感轴上的加速度分量来测量倾角的 ， 其输入 且当测量的倾角接 输出特性为典型的非线性特性， 近 90° 时， 其敏感轴的灵敏度很低。 当测量倾角为 90° 的时候， 其灵敏度为 0 。 所以单轴加速度传感器 不能实现 0° ～ 360° 的测量。 实际设计的全量程无 线倾角传感器如图 2 所示。
其工作原理如图 1 所示。 图中： δ 实现角度的测量， 为敏感轴 1 与水平面之间的夹角， γ 为敏感轴 2 与 g 为重力加速度， A1 （ g ） 、 A2 （ g ） 水平轴之间的夹角， 为重力加速度在敏感轴上的分量 。
图1
全量程倾角传感器工作原理图
辨率为 1 mg（ 60 Hz ） ， 可以利用单个电容调整带宽 输出， 抗冲击能力达 3 500 g， 可确保高零偏稳定性 （ 典型值优于 0. 25 mg / °C） 以及严格的灵敏度稳定性。 微处理器的主要作用是对加速度传感器的输出 挂限判别等智能信号处理， 信号进行输入输出建模、 实现对倾角的计算等。 无线射频模块主要是对测量的倾角进行无线的 收发， 选用 CC2530 片上系统解决方案。 CC2530 是 ZigBee 新一代 SOC 芯片， 为真正的片上系统解决方 支持 IEEE 802. 15. 4 标准 / ZigBee / ZigBee RF4CE 案， 和能源的应用， 拥有庞大的快闪记忆体多达 256 个字 支持新 RemoTI 的 ZigBee RF4CE； CC2530 结合了 节， 一个完全集成的， 高性能的 RF 收发器与一个 8051 微 8 kB 的 RAM ， 32 /64 /128 /256 KB 闪存， 处理器， 以及 其他强大的支持功能和外设； CC2530 提供了 101 dB 的链路质量， 优秀的接收器灵敏度和很强的抗干扰 4 种供电模式， 性， 多种闪存尺寸， 以及一套广泛的外 — —包括 2 个 USART、 12 位 ADC 和 21 个通用 设集— GPIO， 以及更多。除了具有优良的 RF 性能、 选择性 支持一般的低功耗 和业界标准增强 8051MCU 内核， CC2530 还可以配备 TI 的一个标准兼容或 无线通信， 专有的网络协议栈 （ RemoTI，Z － Stack，或 SimpliciTI） 来简化开发。因此， 采用 CC2530 不但实现了倾角 而且兼有信号处理功能， 减少硬件 测量的无线收发， 设备数量并降低了传感器的功耗。 传感器的实物如图 3 所示。
Full － range wireless tilt sensor design
SHAO Xiaomin，FU Jingqi， SU Wei
（ School of Mechatronic Engineering ＆ Automation，Shanghai University，Shanghai 200072 ，China）
收稿日期：2012 － 01 － 13 基金项目：上海市科委攻关项目支持 （ 11dz1121602 ） 作者简介：邵晓敏（ 1987 ） ， 男， 上海大学检测技术与自动化装置 专业硕士研究生， 主要研究方向为传感器的智能化 、 网络化。
2012 年第 2 期
工业仪表与自动化装置
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工作原理
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工业仪表与自动化装置
2012 年第 2 期
全量程无线倾角传感器
邵晓敏， 付敬奇， 苏 伟
（ 上海大学 机电工程与自动化学院， 上海 200072 ） 摘要：倾角测量广泛地应用于诸多工程领域， 该文针对基于 MEMS 加速度传感器进行倾角测 设计了由双轴加速度传感器、 无线射频模块等组成的全量程无线倾角传感器， 通 量量程受限问题， 0° ～ 360° ， 过挂限判别实现了 全量程的倾角测量 并采用二次最小二乘法进行输入输出特性建模 。 试验结果表明， 倾角传感器在全量程范围内测量精度为 ± 0. 21° 。 关键词：全量程； 倾角传感器； 无线 中图分类号：TP216 文献标志码：A 文章编号：1000 － 0682 （ 2012 ） 02 － 0094 － 04
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f（ x1 ， x2 ） =
1 734 ≤x1 ＜ 2 483 ， 2 424 ≤x2 ＜ 2 725 = － 45. 67 + 3. 32 × 10 － 3 x1 + 1. 33 × 10 － 5 x2 1， = 138. 00 － 7. 34 × 10 － 3 x2 － 1. 27 × 10 － 5 x2 2 483 ≤x1 ＜ 2 787 ， 1 678 ≤x2 ＜ 2 424 2， = 210. 18 － 9. 29 × 10 － 2 x2 + 1. 27 × 10 － 5 x2 2 483 ≤x1 ＜ 2 787 ， 932 ≤x2 ＜ 1 678 2， = 225. 67 － 3. 32 × 10 － 3 x1 － 1. 33 × 10 － 5 x2 1 734 ≤x1 ＜ 2 483 ， 631 ≤x2 ＜ 932 1， = 306. 11 － 9. 57 × 10 － 2 x1 + 1. 33 × 10 － 5 x2 985 ≤x1 ＜ 1 734 ， 631 ≤x2 ＜ 932 1， 681 ≤x1 ＜ 985 ， 932 ≤x2 ＜ 1 678 = 149. 82 + 9. 29 × 10 － 2 x2 － 1. 27 × 10 － 5 x2 2， = 222. 00 + 7. 34 × 10 － 3 x2 + 1. 27 × 10 － 5 x2 681 ≤x1 ＜ 985 ， 1 678 ≤x2 ＜ 2 424 2， = 233. 89 + 9. 57 × 10 － 2 x1 － 1. 33 × 10 － 5 x2 985 ≤x1 ＜ 1 734 ， 2 424 ≤x2 ＜ 2 725 1， 由试验结果分析可知， 在 0° ～ 360° 范围内测量 时， 测 量 误 差 在 90° 和 270° 处 的 测 量 误 差 最 大， 为 0. 21° 。 （ 4）
倾角测量在很多实际工程中有着广泛的应用， 例如： 地质钻孔测绘和工程测量， 堤坝位移和桥梁变 形控制， 地震地壳变化监控， 机器安装和电子平衡， 飞行器控制系统， 装备平台控制系统以及各种水平 测量等
［1 ］
。
倾角的测量方式有很多种， 常见的测量方式有 固摆式、 液摆式、 气摆式等， 这些倾角测量的基本原 理均为基于重力场的变化实现测量。 随着 MEMS 技术的快速发展及微传感器的广泛应用， 很多新型 智能倾角传感器已经出现， 基于 MEMS 技术的微加 速度传感器制作的倾角传感器得到了广泛的研究与 ［2 ］ 应用。例如： Jinxing Liang 研究了一种容栅结构的 悬臂梁加速度传感器， 在 1° 范 围 内 的 分 辨 率 达 到
上进行 ， 该标定台的标定精度为 0. 02 ° ， 如图 6 所 示 。 倾角标定的输出数据通过 CC2530 以无线的 网关接收到无线发送过来 方式发送给网关设 备 ， 的数据之后 ， 将数据通过 RS232 发送给上位机做 数据监视 。
图6
实验装置图
对实验标定得到的输入输出数据进行建模处 分别以 45° ，135° ，225° ，315° 作为敏感轴的转 理，
倾角传感器利用加速度传感器感测重力加速度
安装进行测量轴 1 和轴 2 两个方向上重力加速度分 将测量得到的加速度值转化为脉宽调制信号输 量， 出。ADXL213 是一种完整的低成本、 低功耗、 双轴 加速度传感器， 提供经过信号调理、 占空比调制的输 出， 所有功能均集成于一个单芯片中。 该器件的满 既可以测量动态加 量程加速度测量范围为 ± 1. 2 g， 速度， 也可以测量静态加速度， 其输出为数字信号， 占空比 （ 脉 冲 宽 度 与 周 期 之 比 ） 与 加 速 度 成 比 例 （ 30% / g） 。占空比输出可以直接通过微控制器测 无需模数转换器。 ADXL213 具有微型化低功耗 量， 的特点， 其封装为 5 mm × 5 mm × 2 mm LCC 封 ， 典型值 ） 。 分 装 典型功耗电流为 700 μA（ V s = 5 V，
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引言
0. 001° ； Je Chang Han［3］研究了一种可调式的容栅结 构， 在供电电压为 1 V 的条件下， 传感器的测量灵敏 ［4 ］ 度达到 0. 41 pF / g； R. Sawada 研究了一种加速度 传感器敏感梁集成微型光学编码器的方法， 在 0g ～ 1. 8g 测量范围的分辨率达到 6. 4 μg； Sergiusz Luczak 等［5 － 6］实现了双轴倾角全范围的角度测量 ， 测量 精度为 0. 3° 。 虽然基于微加速度传感器的倾角传感器被广泛 地研究和应用， 但采用该原理进行倾角测量时， 由于 传感器的输入和输出之间表现为严重的非线性 ， 尤 其是倾角较大时， 传感器的灵敏度变低， 从而使其测 量范围受到制约。该文研究了一种采用双轴加速度 传感器 ADXL213 的全量程倾角传感器， 通过将双轴 加速度传感器的同轴正交安装， 再经过挂限判别将 测量范围扩大到 0° ～ 360° Байду номын сангаас量程。 另外， 针对有线 网络存在布线不便等问题， 设计了以 CC2530 为核 心 的 无 线 射 频 模 块， 从而实现了全量程无线倾 角测量。
图2
传感器结构简图
由图 2 可知， 全量程无线倾角传感器主要由倾 角测量模块、 信号处理模块、 射频模块等组成。 传感器模块主要进行重力加速度的测量， 采用 的是双轴加速度传感器 ADXL213 。 通过正交同轴
图3 传感器实物图
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工业仪表与自动化装置
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传感器软件设计
图5 倾角传感器主程序流程图
0° ，90° ，180° ，270° ，360° 作 为 模 型 的 分 段 换点， 点， 对 0° ～ 360° 的数据进行二次 最 小 二 乘 曲 线 拟 合。根据挂限判别的原理可以得到如下的分段数学 模型。
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传感器试验及建模
倾角传感器试验在 BD θ － 5 型倾斜 仪 标 定 台
重力加速度 g 在敏感轴 1 和轴 2 上的加速度分 量分别为： A1 （ g） = 1 g × sin δ （ 1） A2 （ g） = 1 g × sin γ （ 2） 因为 δ + γ = 90° ， 整理式（ 1 ） 和式（ 2 ） 可得： δ = arcsin （ A1 / g） = arccos （ A2 / g） （ 3） 通过敏感轴 1 和轴 2 上的重力加速度的分量 A1 （ g） 和 A2 （ g） 的测量值， 再带入式 （ 3 ） 进行挂限判 即可得到全量程倾角的大小。 别，
Abstract： Tilt sensor has been widely used in many engineering fields. The full － range wireless tilt sensor which is designed to overcome the limited range of tilt measurement of the accelerometer based on MEMS consists of the dual － axis accelerometer，RF modules and other components. The full range tilt measurement is realized by distinguishing each quadrant. The least squares method is used as the modeling method for the input and output characteristics. The experimental results show that the measurement accuracy of the whole range is ± 0. 21°. Key words： full － range； tilt sensor； wireless