倾角传感器精度理解

倾角传感器的精度理解

倾角传感器作为测量物体相对海平面的角度测量设备，已有100多年以上的历史了。从传统的水泡式水平仪，到当前的基于加速度原理或电解液原理以及液体电容原理等，已经发展非常成熟，产品精度不断

提高，应用领域也逐渐广泛和专业，制造厂家也非常多。但市场上多数倾角传感器对精度的描述，显得含

糊不清或者存在一定偏差。

一般地说，按照计量法和相关国家/国际标准，对精度的描述有总体性和确定性的描述，但这些描述具有普遍性，是否适合于倾角传感器领域，值得商榷。

我们可以在市场上随处获得各种不同倾角传感器产品或供应商对精度的描述，大多数是将倾角传感器的非线性作为传感器的测量精度，这样做是存在一些偏差的。

首先，我们需要分析影响倾角传感器测量精度的因素有哪些，再讨论如何确定倾角传感器的精度的定义。

以加速度原理的倾角传感器为例。它是测量重力加速度在加速度传感器敏感轴上的分量转换成角度数据，即倾角值与加速度值成正弦关系。这个原理在很多文献以及产品说明中给予了充分的说明。

影响倾角传感器的测量精度与以下指标密切相关：

灵敏度误差——取决于核心敏感器件的自身特性，但同时与频率响应关联，也称幅频特性。经过实际的测试，对灵敏度的影响很小，可以忽略不计。

零点偏置——取决于核心敏感器件的自身特性，是指传感器在没有角度输入的情况下(如绝对水平面)，传感器测量输出不为零，该实际输出角度值即为零点偏置。这个指标跟传感器是否能置零没有任何关系

非线性——可以通过后续进行校正，取决于校正点的多少。校正点越多，非线性越好。

横轴误差——是指当传感器在垂直于其灵敏轴方向施加一定的加速度或者倾斜一定的角度时耦合到传

感器的输出信号上所产生的误差。如对于测量范围为±30°的单轴（假定X方向为倾角测量方向）倾角

传感器，在空间垂直于X方向发生10°的倾斜时（此时实际被测量的X方向的倾斜角度保持不变，如为

+8.505°），传感器的输出信号会因为这个10°的倾斜而产生额外误差，这个误差称为横轴误差。这个额外的误差因不同的产品而定。当倾角传感器的横轴误差为3%FS,产生的额外误差为3%×30°=0.9°，而传感器实际输出的角度简单估算为9.405°(=8.505°+0.9°)。此时，即使倾角传感器的非线性误差达到0.001°,相对横轴误差而言，这个非线性误差可以忽略不计，也就是说，作为倾角传感器的测量精度，不

能不将横轴误差计算在内，否则将引起很大的测量错误。

允许输入轴不重合度——是指传感器在实际安装过程中，允许传感器的水平（Z方向）安装偏差，该指标实际包含了输入轴非对准性、垂直轴非对准性两个方面的误差。一般地，倾角传感器在安装时要求倾斜

方向与传感器的指定边沿保持平行或者重合，该指标表示可以允许有一定的安装角度偏差而不影响传感器

的测量精度。当倾角传感器自身的灵敏轴与实际的倾斜方向不重合时，随倾斜的角度增大，产生的额外误

差呈正弦变化。实际测试表明，当倾角传感器自身的灵敏轴与实际的倾斜方向的夹角超过3°，对于±30°量程±0.01°线性误差的倾角传感器，所产生的额外误差会达到±0.3~0.5°，也远大于非线性误差。

重复测量精度——取决于核心敏感器件的自身特性，不能通过后续修正措施来提高。

温度对零点和灵敏度的影响——也包含漂移和温度曲线的重复性，该重复性取决于核心敏感器件的自身特性，不能通过后续修正措施来提高。在重复性确定的情况下，可以通过后续进行校正，取决于校正点（角度点和温度点）的多少。校正点越多，温度漂移精度就越好。

由此可见，倾角传感器的系统误差包含了灵敏度误差、零点偏置、重复性和温漂的重复性，不能进行修正和补偿；随机误差则包含了横轴误差、输入轴非对准性、非线性、温漂线性度，可以通过修正和补偿措施来提高。而倾角传感器的分辨率则与精度没有任何关系，所以不能计入到精度指标内。

因此，衡量倾角传感器的测量精度，一定不能仅以非线性来衡量，需要将传感器的系统误差和随机误差进行误差合成后方可。

在常温下，倾角传感器误差应该包含非线性、重复性、迟滞、零点偏置以及横轴误差，进行误差合成的计算公式为：

其他工作原理的倾角传感器也应该按照同样的误差计算方法来确定其精度指标，而不能仅将非线性作为精度。

从实际使用的情况来看，也要求倾角传感器对精度的计算按照上述公式：

1、倾角传感器的灵敏轴与传感器的外壳存在一定的偏差，这个偏差是一个空间位置，并非仅在平面坐标系上的位置；

2、倾角传感器在安装时，实际的倾斜的轴向不会与传感器的灵敏轴/外壳的边沿重合或平行，也很难达到如此精密的安装；

3、物体的实际倾斜轴向在工业现场是难以准确地找到，即使当前找到，因机械设备的自身误差，实际的倾斜轴随运动而不断地变化;

因此，综合工业现场的实际安装，倾角传感器在大多数机械设备中处于：

1、传感器的灵敏轴与实际倾斜轴不重合或平行（如图1）；

2、实际的倾斜轴只能是估计，不能准确地判断和确定；

3、X轴发生倾斜时，实际上因被测机械本身的加工或配合误差，Y轴同时也会发生变化，将产生横轴误差，角度越大，误差也越大（高精密机械设备除外），（如图2）。

4、运动过程中，倾斜轴处于规则或不规则的变化过程中.

绝大多数工业现场测量产生图1和图2以及图3组合情况，既有横轴误差产生，也有轴不对准现象发生，同时存在。采用三轴转台进行测试，可以发现以上这些影响。

因此，计算倾角传感器的实际测量精度，不能单纯的看非线性指标，还要看横轴误差、轴对准性等指标。

实际的X轴倾斜而产生的Y倾斜带来的横轴误差理想的无横轴误差时的X轴倾斜

图1 传感器因机械设备自身的误差而产生的横轴误差

实际的安装情况理想的安装情况

图2 传感器灵敏轴与实际倾斜轴的对准

图3 实际安装过程中同时存在横轴误差以及轴不对准现象

对于智能型的倾角传感器，同时需要将因用户现场难以确定的倾斜轴与传感器的灵敏轴的非对准性因素考虑进行，这样可以大大减少对用户的安装对准性要求，并能获得真实的高精度数据。