基于三轴加速度计的倾斜角传感器的研究与设计

2010-07-09 19:06:46来源: 现代电子技术

  0 引言

  在很多运用场合,都必须弄清楚装备对于重力场是水平的还是垂直的,与水平面呈多大角度。在许多国家有这样的规定,升降机和起重机上都必须要有倾斜监控。对于倾斜监控在人类交通工具上尤为重要。离轨列车需要倾斜信息来避免事故发生,或保持某些重要部件在某一确定角度。一些交通工具,例如自倾斜火车需要倾斜角来补偿离心力。有时需要用倾斜计来保持平台的水平,或者一定角度,倾斜角传感器的研究极为重要。传感器的微型化、智能化已成为传感器发展的趋势,基于MEMS技术的全固态微传感器的研究已成为传感器研究的一个重要方面,实际应用中的倾斜角传感器包括,液态倾斜角传感器,气体倾斜角传感器,固态倾斜角传感器,光学倾斜角传感器,与液态倾斜角传感器相比,固态倾斜角传感器具有结构简单,可重复性强,反应快的优点,与光学倾斜角传感器相比,固态倾斜角传感器具有适应性强,价格便宜的优势。

  由加速度传感器测量倾斜角的途径很多,文献中提出了一种基于两轴加速度传感器ADXL213的倾角测量装置,实现了全摆幅高精度测量,并能在运动车辆中抵消前进方向加速度,实现运动中单方向高精度测量。文献中同样运用两轴压力传感器实现单方向全摆幅倾角测量文献。文献中运用两轴加速度传感器ADXL202实现了全方位,45°摆幅内低误差倾斜角测量。文献中运用液态两轴倾斜角传感器实现全方位、低摆幅、高精度倾斜角传感器。单轴加速度传感器只能实现单方向,低摆幅倾斜角测量,两轴倾斜角传感器,方向和摆幅不能兼顾。本文将讨论采用三轴微加速度传感器实现智能化倾斜角传感器方法。

  1 倾斜角测量原理

  对于轴加速度传感器,当它的传感方向和重力加速度方向一致时,假如此时为零倾斜角度,设加速度传感器测量结果为F(θ),θ为倾斜角度,g为重力加速度,如图l所示。

公式

公式

倾斜角测量原理

  所以当倾斜角θ太小时,测量的分辨率就会太小,当角度足够大时精度才会上升。所以对一轴倾斜角传感器的运用是:把它的传感方向与重力加速度方向垂直时的状态设为零倾斜角度,文献运用此方法测量倾斜角,如图2所示,此时:

公式

  此时倾斜角度小时测量精度高,而对于一轴加速度传感器而言,只能测一个方向的倾斜角。所以用一个两轴加速度传感器,两个传感方向皆垂直于重力加速度,当两轴倾斜角倾斜时,加速度传感器测量结果为:

公式

  如何利用θx,θy求出倾斜角θ。首先定义两组三轴向量:[x,y,z]为参考O倾斜向量,[u,v,r]为倾斜后的向量。如图3所示,设向量[z,y,z]先绕y轴倾斜公式,再绕x轴倾斜公式,所以从[x,y,z]到[u,v,r]的转换为:

公式

  设x,y为水平方向,z为垂直方向。(x,y,z)=(0,0,1)于是便有:

公式

公式

  此时u=kF(θx)=kgsinθx,v=kF(θy)=kgsinθy,所以:

公式

  而传感器实际倾斜角为:

公式

  所以只要得出两轴加速度传感器测量结果F(θx)和F(θy)就可以计算出θx和θy,进而知道总的倾斜度。

  同一轴传感器,两轴传感器测量精度有限,当θx,或θy越接近±兀/2时,分辨率越低。只有在倾斜角度接近O时分辨率最高。利用两轴加速度传感器的这种测量方法可以实现全方位倾斜测量。

计算

  为实现高精度全摆幅倾斜测量就必须把两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。运用此方法测量倾斜角。加速度传感器测量结果为:

公式

  此时θ为单方向上全摆幅、高精度倾斜角度。运用两轴加速度传感器无法解决倾斜角测量中全方位和全摆幅不能共同实现的矛盾。所以为测量一个全方位,全摆幅的倾斜角就必须使用三轴加速度计。

  运用三轴加速度计测量倾斜角就必须把测量范围分为两档,一档为倾斜角为-π/4~π/4,二档为倾斜角为(-π/2~-π/4)&(π/4~π/2)。当倾斜角度在±π/4之间时,公式, 这里以F(θz)的值作为划分档次的依据。在一档中F(θx),F(θy)的分辨率很高,此时相当于运用一个两轴加速度传感器测量全方位,低摆幅倾斜角,运用式(15)可以计算倾斜角。在二档中F(θz)的分辨率都很高,此时相当于运用一个一轴加速度传感器测量全方位,高倾斜角度的倾斜角,运用式(1)可以计算倾斜角。

  2 SCA3000

  传感器的微型化、智能化、低功耗是当今传感器发展的必然趋势,微电子机械系统技术(MicroElectro,Mechanical Systems,MEMS)是传感器微型化发展道路上的一项重要技术。SCA3000-D1是VTI公司的全数字化三轴加速度计,量程±2g,电源电压3.3 V,64组缓冲存储器记录数据,在系统一级上面,有先进的性能和有效节能方式,频率响应可选,SPI数字串口通信,抗冲击力强,可以应用于许多恶劣的条件下。

SCA3000-D1方框图

  2.1传感器前端

  前端单元采用了耐用、稳定、低功耗和噪声的电容传感器,这个前端单元包含三个加速度传感块。由于结构原因,三个加速度传感块传感方向与直角坐标成45°角,所以在接口电路模块中有一个匹配处理,加速度导致电容变化接着在信号调理电路中转化为电压变化。

  2.2 接口电路

  传感单元连接一个电容电压转换器,接下来在模拟领域校准,信号通过ADC转换器转换为数字信号,ADC信号被分离成三个信号处理通道,经过低通滤波器和骤减。之后,信号配合上直角坐标系和传输给输出寄存器。在一般测量中,加速度数据能够通过串行总线SPI读出。

  3 硬件设计

  在此运用ARM7微控制器LPC2210和三轴加速度计SCA3000测量数据。运用ZLG7290控制LED显示倾斜角度,保留一组SPI接口用于扩展功能。

[1] [2]

关键字:倾斜角传感器  三轴加速度计  全摆幅  全方位  零点偏移  横轴补

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0709/article_2375.html
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