一款精密倾角传感器

设计精密倾角传感器

特别说明：写本文的目的在于技术的交流，不带有商业性质。本文中所有数据和资料来源于合肥硕锋电子科技有限公司（对技术感兴趣的可以登录公司网站），合肥硕锋电子科技有限公司对本文具有最终解释权。如有不妥之处，望批评指正。

设计一款好的倾角传感器不是那么简单的，不是简单的把电压输出AD转换下，送到单片机计算下角度，输出角度就完事了。其中有很多细节需要考虑，本人从10年开始一直在合肥硕锋电子科技有限公司传感器研发中心从事传感器研发工作。在此写下了本文，也是我在公司多年经验的总结。希望和同行交流沟通。

倾角传感器是检测倾斜角度的传感器，又称之为角度传感器、水平传感器等。又分为固体摆、气体摆、液体摆等。这些知识网上都很多，在此就不做过多的介绍。下面以最典型的MEMS（微电子机械系统）倾角传感器做详细的说明。

通过测量地球的重力加速度分量来对倾斜进行测量。也就是说倾斜传感器所测量到的重力加速度分量等于倾斜角度的正弦(sin) ×1g，通过逆运算就能得到角度数据。如果所测量到的重力加速度分量为0g，那么倾斜角就为0°，即水平状态。

这类芯片有很多种，一般这种芯片输出都是电压信号，通常还不能直接输出角度信息，为了方便使用，我们将倾角传感器芯片、单片机、模数转换电路、数模转换电路、各种接口芯片等集成在一块或多块电路板上，这样就是一个正式的倾角传感器。下图描述了我公司生产的倾角传感器的基本构成。

我们将各种不同的功能模块集成在一块或者几块电路

板上，就构成了一个完整的倾角传感器，它有各种不同的接

口芯片，所以会有不同的接口以满足工业现场的不同需求。

比较常用的是电流和RS232输出，电流输出属于模拟量输

出，一般输出是4-20mA或者0-20mA,输出的电流和测量的

角度成正比关系，线性关系。电流输出受外界干扰小，适合

远距离传输，可以和各种仪表接口。RS232输出是数字输出，可以直接输出角度值，适合与各种微处理器或计算机接口，但其传输距离不是很远，一般在10米之内。

如何设计一款比较好的倾角传感器呢？

目前做倾角传感器的厂家比较多，就以我们公司为例，来说明下如何设计一款比较好的倾角传感器。

首先要了解误差的来源，在倾斜测量中，产生误差的主要因素有以下几点:

◆零点误差

最最主要的误差因素是零点误差。在-25°～85°的工作温度范围内，可以通过校正和温度补偿来减轻环境温度所造成的影响，上面框图中的温度传感器就是实现温度补偿的作用。

◆传感器自身固有的误差

倾斜传感器所测量出的加速度与1g×sin (倾斜角度+传感器自身固有误差) 成比例。该误差对于对角度十分灵敏的装置来说尤为重要。另外，由于加速度与倾斜角呈非线性的关系，所以需要注意在不同角度下对误差产生的不同影响。我们采用了精密的水平平台作为校准设

第六，要有配套的显示仪表供客户使用。配套的显示仪表是必不可少的，在某些场合可以很方便的查看传感器测量的角度，仪表一般具有电压输入、电流输入、232接口等各种接口，最好是菜单的设计，减少了按键数量，而且便于操作，输出一般是继电器，可以设置各种参数，设置XY轴的上限和下限，方便报警输出或者控制后续电路。同时具体对传感器的参数

配置功能。

倾角传感器典型应用举例

◆间接测量

对山、建筑物、树木等物体的高度进行测量也能使倾斜传感器得到最充分的利用。通过

倾斜传感器的角度测量往往与通过激光测距仪的距离测量同时使用。该测量方式可被很好地

利用在与建筑有关的行业或需要估测某块区域内树木体积的应用场合中。例如以我们公司（合肥硕锋科技）旁边的合肥大蜀山为例，构建如下三角形，可以测量观测点到山顶的距离，间接的计算出大蜀山的高度h = L*sinα。

◆安全监测

倾角传感器可以应用在安全监测上，主要是超过设定角度报警或者控制其他设备的作用，这种具有报警、预设角度的倾角传感器我们称之为倾角开关，硕锋科技的倾角开关型号为SSW。可以向倾角开关发送指令，修改报警角度值。在安全监测上应用非常的广泛。主要包括铁塔安全监测、山体滑坡安全监测、塔吊安全监测、起重机大臂安全监测等。以下是我们公司的倾角开关的内部结构示意图：

◆垂直校准

倾角传感器在垂直校准上的典型应用为自动粉墙机、电梯、打桩机的垂直测量校准。

◆水平校准

倾角传感器在水平校准上的典型应用为液压支腿调平。高空作业车是电力、通讯、交通、市政、消防、救援、建筑等行业进行施工、维护修理等作业的理想设备。随着我国国民经济的蓬勃发展，高空作业车的需求量迅速上升。高空作业车的升降方式有折叠式、伸缩式和混合式等多种形式，作业高度从十几米到几十米不等，其工作平台的调平方式经历了从手动调平到自动调平的发展过程，近几年发展迅速。

◆角度测量

各种需要测量角度的场合。