高精度倾角传感器检测系统的设计与实现_陈烁辉
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高精度倾角传感器检测系统由 24 V 恒压电源、 恒温箱、控制器（PLC 和 SYMC）、伺服电机及配套驱 动器和减速器、PC 机，以及工装结构等组成。 运动控 制器 SYMC 通过双路 CAN 总线对倾角传感器 SYTS 实现指令控制及数据通讯，通过 RS232 串口实现对 恒温箱进行温 度 控 制 ；PLC（S7-200）通 过 输 出 高 速 脉 冲 信 号 对 伺 服 电 机 实 现 精 确 定 位 控 制[5]；S7-200 与 SYMC 之间通过 RS485 通讯联系起来。 人机界面 通过串口实现显示测试数据。 硬件设计原理框图如 图 2 所示。
检测校准指令？
N
电机转至测试角度
的 ID 注册。 检测系统在 360°范围内随机选取 120 个校准角度样点，从 0°点开 始 ，电 机 转 至 校 准 点 位
Y 修改被测件节点
读取测试角度信息
置，控制器 SYMC 分别对每块测件写入角度校准信 息，直至 120 个选取点全部完成校准。
校准完成后执行角度测试。系统选取 60 个角度
N 温度补偿标定成功？
温度误差以及倾角传感器元器件工作发热的影响。 ③角度校准与测试程序：温漂老化测试完成后，
控 制 器 SYMC 通 过 DO 输 出 端 口 控 制 每 块 倾 角 传
Y 等待校准
等待测试
感器电源上电、断电，通过 CAN 总线对上电的倾角 传感器进行 ID 注册，直至每块倾角传感器实现不同
找寻 0°水平面
制 器 SYMC 通 过 RS232 串 口 实 时 读 取 恒 温 箱 内 部 温度。 当温度稳定为-30 ℃时，PLC（S7-200）通过高
0°位置精度满足要求？ N
速 脉 冲 端 口 控 制 伺 服 电 机 顺 时 针 方 向 转 动 到 0° 、 90°、180°、270°，每个角度位置停顿 3 s 时间。 停顿时
目前，倾角传感器广泛应用在建筑机械、路面 机械、港口机械、起重机械等工程机械领域中，它能 够对工程机械运作过程中与角度相关的状态与姿 态实现实时监测与控制[1]。 然而，倾角传感器在实际 应用中往往存在较大的非线性误差和温度漂移误 差等缺陷，以致精度易受影响从而导致测量误差过 大，不能满足工程机械装备实际应用的要求。 另外， 倾角传感器在批量生产过程中，容易出现加速度传
18
Automation ＆ Instrumentation 2012(12)
基石，大理石不易晃动或形变，通过计量仪器调整 平面为标准 0°面。 当倾角传感器位于 0°水平面时， 系统控制器 SYMC 发送 0°校准指令，将原始的 0°数 据修改准确。 1.2 温漂老化功能
温漂老化测试目的是为解决倾角传感器元器 件性能随温度变化而不稳定的问题[2]。 具体原因是 因 为 倾 角 传 感 器 中 加 速 度 传 感 器 输 出 为 PWM 信 号，波形如图 1 所示。
会因温度变化改变元器件性能而变化。 检测系统要
对倾角传感器 0g 输出与灵敏度值实现温漂补偿校
正，至少需要采样 3 个典型温度点（如-30 ℃，25 ℃，
60 ℃）下 0g 输出值以及灵敏度值。 在每个温度点下
wk.baidu.com
分别采集 0°、90°、180°、270°位置下加速度传感器的
输出值，再通过分段线性补偿的办法对其余温度和
360°采用分段线性拟合的方法， 使测量得到的数据
与实际角度关系接近线性关系[4]。 算法中，采集的测
试角度点数越多，算法计算出的曲线更逼近线性关
系。 倾角传感器检测系统能够随机选取 120 个角度
样点，从 0°角开始，每间隔 3°，分别对测试的倾角传
感器进行分段线性拟合，进行角度校准，最大化地
减小倾角传感器的非线性误差。
感器安装倾斜，以致造成测量角度出现偏移。 因此， 为了提高倾角传感器的测量精度，产品在出厂前，需 要对其进行校准、温漂补偿以及精度检测等测试，以 确保产品符合出厂标准。
1 倾角传感器检测系统功能
1.1 0°角标定功能 倾角传感器检测系统采用光滑的大理石作为奠
收 稿 日 期 ：2012-06-19 ；修 订 日 期 ：2012-07-31 作 者 简 介 ： 陈烁 辉 （1985— ），男 ，硕 士 研 究 生 ，电 气 工 程 师 ，研 究 方 向 为 嵌 入 式 系 统 及 应 用 、传 感 器 研 究 以 及 工 程 机 械 电 气 控 制 。
Design and Realization of High Accuracy Angle Examination System
CHEN Shuo-hui，ZHOU Xiang，WANG Han-qi，LIAO Chuan-wei
（Sany Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha 410100，China） Abstract：A highly accurate angle detection system was designed for mass production of obliquity sensors in this paper. The system consists of a motion control system，a mechatronic control system，a Labview display module，a constant temperature and humidistat box module. With the use of this system，it is possible to realise the calibration of the 0° position of the obliquity sensor，the calibration of angle linearity and the error test. It is also possible to solve the problem of aging caused by temperature fluctuation，which guarantees the high detection accuracy of the obliquity sensor ranging ±0.3° . The design of the highly accurate angle detection system introduces the automatic industry testing which would substitute the traditional manual testing，increases the accuracy of the sensor，and thus boosts the production efficiency and cut the cost of manpower. It is of high reliability and practicability. Key words：obliquity sensor；angle detection；temperature fluctuation；mechatronic control system；Labview
位置下的加速度传感器输出值进行线性修正 [3]，从
而计算出倾角传感器在不同温度下的 0g 输出与灵
敏度值。
1.3 角度线性校准功能
倾角传感器采用线性拟合的线性化措施，使输
入与输出信号具有线性关系，具体算法采用二段量
化法，如：取 24°和 26°，用一条直线连接代替原来的
曲线； 取 26°和 28°也同样用一条直线连接。 整个
电机转至校准位置 写入校准信息
测试点，每个测试角度与校准选取角度不重合。当电 机转动到测试角度位置时， 伺服电机编码器获取高 N
校准完成？
N 测试完成？
Y 数据比较，误差计算
测试结果显示
精度的角度值，SYMC 控制器通过 CAN 总线读取每 个倾角传感器的角度测量值， 通过将倾角传感器测 量的角度值与编码器获取的角度值进行比较， 从而 计算出每一块倾角传感器当前角度的非线性误差
①0°角 标 定 程 序 ：上 电 启 动 系 统 后 ， 在 编 码 器 角
自动化与仪表 2012(12)
19
仪器仪表装置
度反馈下，伺服电机在 PLC 控制下自动找寻 0°角位
等待开始
置，并确保角度误差范围≤0.1°。 ②温 漂 老 化 控 制 程 序 ：0° 角 位 置 确 定 后 ， 系 统 控
℃、60 ℃温 度 下 ， 系 统 依 照 同 样 的 方 式 计 算 出 0°、 90°、180°、270°的 0g 输出值与灵敏度值。 以此利用 分段线性补偿算法，实现从低温到高温，完成倾角传
Y
电机依次转到 0°、90°、180°、270°， 分别进行温度补偿标定
感器 0g 输出值与灵敏度值的温漂补偿。 单点温度 下，温漂补偿能在 12 s 完 成 ，最 大 限 度 减 小 恒 温 箱
仪器仪表装置
1.4 角度检测功能 检测系统角度检测能够分别将倾角传感器测量
的角度值与检测系统中编码器对应检测的角度值进 行比较，从而计算出倾角传感器在每个角度位置测 量误差的大小。 角度检测选取 60 个测试样点，检测 选取的角度间于校准角度选取点之间，从而有效检 测倾角传感器线性拟合算法的准确性。 倾角传感器 产 品 的 角 度 分 辨 率 为 ±0.1° ， 检 测 系 统 选 用 的 角 度 编 码 器 精 度 为 ±0.003° ， 能 够 使 检 测 误 差 分 辨 率 达 到 千 分级，有效确保系统角度检测的准确性。
T2
T1
图 1 加速度传感器 PWM 信号 Fig.1 PWM signal of acceleration sensor
倾角传感器输出加速度计算公式为
a =（T1/T2 -0g 输出）/灵敏度
（1）
倾角传感器输出角度计算公式为
θ=sin-1（a）
（2）
式中：0g 输出与灵敏度在理论上是常数， 但实际上
仪器仪表装置
文 章 编 号 ：1001-9944(2012)12-0018-04
高精度倾角传感器检测系统的设计与实现
陈烁辉，周 翔，王汉其，廖传伟
（三一重工股份有限公司，长沙 410100）
摘要：主要介绍了针对倾角传感器批量生产而设计的一款高精度角度检测系统。 系统包括 运动控制系统、机电 控 制 系 统 、Labview显 示 系 统 以 及 恒 温 恒 湿 箱 设 备 等 ，能 够 实 现 对 倾 角 传感器的0°位置校准、角度线性度校准以及误差检测，同 时 解 决 倾 角 传 感 器 的 温 漂 老 化 问 题，使倾角传感器精度保持在±0.3°范围内。 高精度倾角传感器检测系统的设计，实现了工 业自动化检测代替原先的手动检测，提高了倾角传感器产品的精度，同时为企业提高了生 产效率，节省了人力成本，具有很高的可靠性和实用性。 关 键 词 ： 倾 角 传 感 器 ；角 度 检 测 ；温 漂 老 化 ；机 电 控 制 ；Labview 中图分类号：TP23 文献标志码：A
Y 等待温漂老化测试
间 内 ， 系 统 控 制 倾 角 传 感 器 分 别 记 录-30℃下 0°、
90°、180°、270°的 加 速 度 值 ， 从 而 计 算 出 该 温 度 下 0°、90°、180°、270°处的 0g 输出值与灵敏度值。在 25
依次判断温度
N
稳定为-30 ℃、25 ℃、
60 ℃？
显示界面
RS485
闭环控制 S7-200
编码器 伺服电机
RS485
CAN总 线
SYMC
SYTS
RS232
恒温箱
图 2 硬件原理框图 Fig.2 Hardware schematic diagram
2.2 检测系统软件设计 高精度倾角传感器检测系统软件设计包括 4 大
部 分 ：0° 角 标 定 程 序 、 温 漂 老 化 控 制 程 序 、 角 度 校 准 与测试程序以及界面实时显示程序。
2 倾角传感器检测系统设计
高精度倾角传感器检测系统能够智能控制恒温 箱温度变化、伺服电机位置转动以及与倾角传感器 进行 CAN 通讯控制，通过 Labview 软件设计的界面
对测试数据进行实时显示与控制，实现倾角传感器 自动化进行 0°角标定、温标老化 、角 度 线 性 校 准 以 及角度误差检测等测试。 2.1 检测系统硬件设计
检测校准指令？
N
电机转至测试角度
的 ID 注册。 检测系统在 360°范围内随机选取 120 个校准角度样点，从 0°点开 始 ，电 机 转 至 校 准 点 位
Y 修改被测件节点
读取测试角度信息
置，控制器 SYMC 分别对每块测件写入角度校准信 息，直至 120 个选取点全部完成校准。
校准完成后执行角度测试。系统选取 60 个角度
N 温度补偿标定成功？
温度误差以及倾角传感器元器件工作发热的影响。 ③角度校准与测试程序：温漂老化测试完成后，
控 制 器 SYMC 通 过 DO 输 出 端 口 控 制 每 块 倾 角 传
Y 等待校准
等待测试
感器电源上电、断电，通过 CAN 总线对上电的倾角 传感器进行 ID 注册，直至每块倾角传感器实现不同
找寻 0°水平面
制 器 SYMC 通 过 RS232 串 口 实 时 读 取 恒 温 箱 内 部 温度。 当温度稳定为-30 ℃时，PLC（S7-200）通过高
0°位置精度满足要求？ N
速 脉 冲 端 口 控 制 伺 服 电 机 顺 时 针 方 向 转 动 到 0° 、 90°、180°、270°，每个角度位置停顿 3 s 时间。 停顿时
目前，倾角传感器广泛应用在建筑机械、路面 机械、港口机械、起重机械等工程机械领域中，它能 够对工程机械运作过程中与角度相关的状态与姿 态实现实时监测与控制[1]。 然而，倾角传感器在实际 应用中往往存在较大的非线性误差和温度漂移误 差等缺陷，以致精度易受影响从而导致测量误差过 大，不能满足工程机械装备实际应用的要求。 另外， 倾角传感器在批量生产过程中，容易出现加速度传
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Automation ＆ Instrumentation 2012(12)
基石，大理石不易晃动或形变，通过计量仪器调整 平面为标准 0°面。 当倾角传感器位于 0°水平面时， 系统控制器 SYMC 发送 0°校准指令，将原始的 0°数 据修改准确。 1.2 温漂老化功能
温漂老化测试目的是为解决倾角传感器元器 件性能随温度变化而不稳定的问题[2]。 具体原因是 因 为 倾 角 传 感 器 中 加 速 度 传 感 器 输 出 为 PWM 信 号，波形如图 1 所示。
会因温度变化改变元器件性能而变化。 检测系统要
对倾角传感器 0g 输出与灵敏度值实现温漂补偿校
正，至少需要采样 3 个典型温度点（如-30 ℃，25 ℃，
60 ℃）下 0g 输出值以及灵敏度值。 在每个温度点下
wk.baidu.com
分别采集 0°、90°、180°、270°位置下加速度传感器的
输出值，再通过分段线性补偿的办法对其余温度和
360°采用分段线性拟合的方法， 使测量得到的数据
与实际角度关系接近线性关系[4]。 算法中，采集的测
试角度点数越多，算法计算出的曲线更逼近线性关
系。 倾角传感器检测系统能够随机选取 120 个角度
样点，从 0°角开始，每间隔 3°，分别对测试的倾角传
感器进行分段线性拟合，进行角度校准，最大化地
减小倾角传感器的非线性误差。
感器安装倾斜，以致造成测量角度出现偏移。 因此， 为了提高倾角传感器的测量精度，产品在出厂前，需 要对其进行校准、温漂补偿以及精度检测等测试，以 确保产品符合出厂标准。
1 倾角传感器检测系统功能
1.1 0°角标定功能 倾角传感器检测系统采用光滑的大理石作为奠
收 稿 日 期 ：2012-06-19 ；修 订 日 期 ：2012-07-31 作 者 简 介 ： 陈烁 辉 （1985— ），男 ，硕 士 研 究 生 ，电 气 工 程 师 ，研 究 方 向 为 嵌 入 式 系 统 及 应 用 、传 感 器 研 究 以 及 工 程 机 械 电 气 控 制 。
Design and Realization of High Accuracy Angle Examination System
CHEN Shuo-hui，ZHOU Xiang，WANG Han-qi，LIAO Chuan-wei
（Sany Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha 410100，China） Abstract：A highly accurate angle detection system was designed for mass production of obliquity sensors in this paper. The system consists of a motion control system，a mechatronic control system，a Labview display module，a constant temperature and humidistat box module. With the use of this system，it is possible to realise the calibration of the 0° position of the obliquity sensor，the calibration of angle linearity and the error test. It is also possible to solve the problem of aging caused by temperature fluctuation，which guarantees the high detection accuracy of the obliquity sensor ranging ±0.3° . The design of the highly accurate angle detection system introduces the automatic industry testing which would substitute the traditional manual testing，increases the accuracy of the sensor，and thus boosts the production efficiency and cut the cost of manpower. It is of high reliability and practicability. Key words：obliquity sensor；angle detection；temperature fluctuation；mechatronic control system；Labview
位置下的加速度传感器输出值进行线性修正 [3]，从
而计算出倾角传感器在不同温度下的 0g 输出与灵
敏度值。
1.3 角度线性校准功能
倾角传感器采用线性拟合的线性化措施，使输
入与输出信号具有线性关系，具体算法采用二段量
化法，如：取 24°和 26°，用一条直线连接代替原来的
曲线； 取 26°和 28°也同样用一条直线连接。 整个
电机转至校准位置 写入校准信息
测试点，每个测试角度与校准选取角度不重合。当电 机转动到测试角度位置时， 伺服电机编码器获取高 N
校准完成？
N 测试完成？
Y 数据比较，误差计算
测试结果显示
精度的角度值，SYMC 控制器通过 CAN 总线读取每 个倾角传感器的角度测量值， 通过将倾角传感器测 量的角度值与编码器获取的角度值进行比较， 从而 计算出每一块倾角传感器当前角度的非线性误差
①0°角 标 定 程 序 ：上 电 启 动 系 统 后 ， 在 编 码 器 角
自动化与仪表 2012(12)
19
仪器仪表装置
度反馈下，伺服电机在 PLC 控制下自动找寻 0°角位
等待开始
置，并确保角度误差范围≤0.1°。 ②温 漂 老 化 控 制 程 序 ：0° 角 位 置 确 定 后 ， 系 统 控
℃、60 ℃温 度 下 ， 系 统 依 照 同 样 的 方 式 计 算 出 0°、 90°、180°、270°的 0g 输出值与灵敏度值。 以此利用 分段线性补偿算法，实现从低温到高温，完成倾角传
Y
电机依次转到 0°、90°、180°、270°， 分别进行温度补偿标定
感器 0g 输出值与灵敏度值的温漂补偿。 单点温度 下，温漂补偿能在 12 s 完 成 ，最 大 限 度 减 小 恒 温 箱
仪器仪表装置
1.4 角度检测功能 检测系统角度检测能够分别将倾角传感器测量
的角度值与检测系统中编码器对应检测的角度值进 行比较，从而计算出倾角传感器在每个角度位置测 量误差的大小。 角度检测选取 60 个测试样点，检测 选取的角度间于校准角度选取点之间，从而有效检 测倾角传感器线性拟合算法的准确性。 倾角传感器 产 品 的 角 度 分 辨 率 为 ±0.1° ， 检 测 系 统 选 用 的 角 度 编 码 器 精 度 为 ±0.003° ， 能 够 使 检 测 误 差 分 辨 率 达 到 千 分级，有效确保系统角度检测的准确性。
T2
T1
图 1 加速度传感器 PWM 信号 Fig.1 PWM signal of acceleration sensor
倾角传感器输出加速度计算公式为
a =（T1/T2 -0g 输出）/灵敏度
（1）
倾角传感器输出角度计算公式为
θ=sin-1（a）
（2）
式中：0g 输出与灵敏度在理论上是常数， 但实际上
仪器仪表装置
文 章 编 号 ：1001-9944(2012)12-0018-04
高精度倾角传感器检测系统的设计与实现
陈烁辉，周 翔，王汉其，廖传伟
（三一重工股份有限公司，长沙 410100）
摘要：主要介绍了针对倾角传感器批量生产而设计的一款高精度角度检测系统。 系统包括 运动控制系统、机电 控 制 系 统 、Labview显 示 系 统 以 及 恒 温 恒 湿 箱 设 备 等 ，能 够 实 现 对 倾 角 传感器的0°位置校准、角度线性度校准以及误差检测，同 时 解 决 倾 角 传 感 器 的 温 漂 老 化 问 题，使倾角传感器精度保持在±0.3°范围内。 高精度倾角传感器检测系统的设计，实现了工 业自动化检测代替原先的手动检测，提高了倾角传感器产品的精度，同时为企业提高了生 产效率，节省了人力成本，具有很高的可靠性和实用性。 关 键 词 ： 倾 角 传 感 器 ；角 度 检 测 ；温 漂 老 化 ；机 电 控 制 ；Labview 中图分类号：TP23 文献标志码：A
Y 等待温漂老化测试
间 内 ， 系 统 控 制 倾 角 传 感 器 分 别 记 录-30℃下 0°、
90°、180°、270°的 加 速 度 值 ， 从 而 计 算 出 该 温 度 下 0°、90°、180°、270°处的 0g 输出值与灵敏度值。在 25
依次判断温度
N
稳定为-30 ℃、25 ℃、
60 ℃？
显示界面
RS485
闭环控制 S7-200
编码器 伺服电机
RS485
CAN总 线
SYMC
SYTS
RS232
恒温箱
图 2 硬件原理框图 Fig.2 Hardware schematic diagram
2.2 检测系统软件设计 高精度倾角传感器检测系统软件设计包括 4 大
部 分 ：0° 角 标 定 程 序 、 温 漂 老 化 控 制 程 序 、 角 度 校 准 与测试程序以及界面实时显示程序。
2 倾角传感器检测系统设计
高精度倾角传感器检测系统能够智能控制恒温 箱温度变化、伺服电机位置转动以及与倾角传感器 进行 CAN 通讯控制，通过 Labview 软件设计的界面
对测试数据进行实时显示与控制，实现倾角传感器 自动化进行 0°角标定、温标老化 、角 度 线 性 校 准 以 及角度误差检测等测试。 2.1 检测系统硬件设计