傾角傳感器的精度分析和技術(shù)講解

傾角傳感器是用來測(cè)量物體相對(duì)于水平面的傾斜角度，在平臺(tái)調(diào)平，機(jī)械制造，安全防護(hù)，精密測(cè)量等眾多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，制造廠家也很多，但市面對(duì)傾角傳感器的精度的理解卻含混不清甚至存在偏差。

首先定義傾角傳感器精度：精度是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量的角度與真實(shí)角度之間的誤差。這個(gè)誤差通常定義為均方誤差。即多次測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值之間的均方根值。

本文將以加速度傳感原理的傾角傳感器為例，來詳細(xì)描述影響傳感器的精度的因素。加速度傳感器是測(cè)量重力加速度在加速度傳感器敏感軸上的分量轉(zhuǎn)換成角度數(shù)據(jù)，即傾角值與加速度值成正弦關(guān)系。

其中g表示重力加速度，a表示加速度傳感器測(cè)量的傾角值，α是傾斜角。

影響傾角傳感器的測(cè)量精度與以下指標(biāo)密切相關(guān)：

噪聲——取決于核心敏感器件的自身特性，但同時(shí)與頻率響應(yīng)關(guān)聯(lián)，也稱幅頻特性。一般來說頻響越高，噪聲越大。噪聲決定了傳感器的分辨率，如果角度變化很小，以至于這種變化幾乎淹沒在噪聲中無法分辨，則我們就認(rèn)為該角度變化為傾角傳感器的分辨率。

零點(diǎn)偏置穩(wěn)定性——取決于核心敏感器件的自身特性，是指?jìng)鞲衅髟跊]有角度輸入的情況下(如絕對(duì)水平面)，傳感器測(cè)量輸出不為零，該實(shí)際輸出角度值即為零點(diǎn)偏置。零點(diǎn)偏置對(duì)傳感器的精度影響并不可怕，因?yàn)榱泓c(diǎn)偏置可以通過校準(zhǔn)的方式消除。但是零點(diǎn)偏置通常隨著時(shí)間和溫度變化漂移，該漂移量稱為零點(diǎn)偏置穩(wěn)定性，這種漂移通常很難消除，于是該漂移量會(huì)引起精度惡化。

非線性——可以通過后續(xù)進(jìn)行校正，取決于校正點(diǎn)的多少。校正點(diǎn)越多，非線性越好。非線性雖然可以通過后續(xù)校正方法來校正，但是非線性也同樣存在漂移現(xiàn)象，該漂移量也同樣無法消除從而引起精度惡化。

交叉耦合誤差——是指當(dāng)傳感器在垂直于其靈敏軸方向施加一定的加速度或者傾斜一定的角度時(shí)耦合到傳感器的輸出信號(hào)上所產(chǎn)生的誤差。如對(duì)于測(cè)量范圍為±30°的單軸傾角傳感器（假定X方向?yàn)閮A角測(cè)量方向），在空間垂直于X方向發(fā)生10°的傾斜時(shí)（此時(shí)實(shí)際被測(cè)量的X方向的傾斜角度保持不變，如為+5°），傳感器的輸出信號(hào)會(huì)因?yàn)檫@個(gè)10°的傾斜而產(chǎn)生額外誤差，這個(gè)誤差稱為交叉耦合誤差。這個(gè)額外的誤差因不同的產(chǎn)品而定。當(dāng)傾角傳感器的交叉耦合誤差為3%FS(FS: full scale, 全量程),產(chǎn)生的額外誤差為3%×10°=0.3°，而傳感器實(shí)際輸出的角度簡單估算為5.3°(=5°+0.3°)。此時(shí)，即使傾角傳感器的非線性誤差達(dá)到0.01°,相對(duì)交叉耦合誤差而言，這個(gè)非線性誤差可以忽略不計(jì)，也就是說，作為傾角傳感器的測(cè)量精度，不能不將交叉耦合誤差計(jì)算在內(nèi)，否則將引起很大的測(cè)量錯(cuò)誤。

安裝誤差——傳感器在安裝測(cè)量時(shí)，測(cè)量軸應(yīng)該與傳感器的敏感軸重合。但是在實(shí)際安裝測(cè)量時(shí)，總是無法準(zhǔn)確的吻合。比如，安裝測(cè)量軸與傳感器敏感軸之間的夾角為1度，則測(cè)量值為實(shí)際角度變化在敏感軸上的投影。如果角度變化為30度，則測(cè)量值為30*cos(0.1)=29.995度，誤差0.005度，因此對(duì)于高精度的應(yīng)用，保持測(cè)量軸和傳感器敏感軸吻合非常重要。

重復(fù)測(cè)量精度——取決于核心敏感器件的自身特性，不能通過后續(xù)修正措施來提高。

溫度對(duì)零點(diǎn)和靈敏度的影響——也包含漂移和溫度曲線的重復(fù)性，該重復(fù)性取決于核心敏感器件的自身特性，不能通過后續(xù)修正措施來提高。在重復(fù)性確定的情況下，可以通過后續(xù)進(jìn)行校正，取決于校正點(diǎn)（角度點(diǎn)和溫度點(diǎn)）的多少。校正點(diǎn)越多，溫度漂移精度就越好。

量程——由于傾角測(cè)量與加速度之間的關(guān)系是正弦關(guān)系，所以角度測(cè)量誤差和加速度測(cè)量誤差之間滿足以下關(guān)系式：

其中dα是傾角測(cè)量誤差，da是加速度測(cè)量誤差，當(dāng)量程接近90度時(shí)，加速度a接近重力加速度g，此時(shí) 接近無窮大，所以輕微的加速度誤差引起很大的傾角測(cè)量誤差。

由此可見，傾角傳感器的系統(tǒng)誤差包含了噪聲、零點(diǎn)偏置、重復(fù)性和溫漂的重復(fù)性，不能進(jìn)行修正和補(bǔ)償；隨機(jī)誤差則包含了交叉耦合誤差、輸入軸非對(duì)準(zhǔn)性、非線性、溫漂線性度，可以通過修正和補(bǔ)償措施來提高。因此，衡量傾角傳感器的測(cè)量精度，一定不能僅以非線性來衡量，需要將傳感器的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差進(jìn)行誤差合成后方可。

因此，傾角傳感器誤差應(yīng)該包含非線性、重復(fù)性、噪聲、零點(diǎn)偏置漂移，零點(diǎn)非線性漂移以及交叉耦合誤差等。

由于精度涉及的因素很多，所以無錫慧聯(lián)信息科技有限公司針對(duì)不同的誤差原因，一一進(jìn)行排除校正，從而無需用戶對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行深入考慮，用戶只需要按照一些基本的安裝要求操作就可以滿足精度指標(biāo)。這樣可以大大減少用戶的工作。

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