探析傾角傳感器的原理及應(yīng)用場(chǎng)合

“傾角傳感器”顧名思義，就是測(cè)量?jī)A斜角度的一種角度傳感器。傾角傳感器應(yīng)用場(chǎng)所極多，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，傾角傳感器得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。適合應(yīng)用于工廠、山體、鐵路、隧道、船業(yè)、機(jī)械、建筑業(yè)、醫(yī)療事業(yè)、橋梁鋪設(shè)、水壩建設(shè)、汽車行業(yè)、核工業(yè)和航空航天事業(yè)等。

傾角傳感器原理簡(jiǎn)介

本質(zhì)上，傾角傳感器要測(cè)量加速度，特別是重力加速度，因此其內(nèi)部集成了加速度傳感芯片。

該傳感芯片由一個(gè)MEMS傳感部件以及外圍信號(hào)處理電路組成。MEMS傳感部件示意圖如下：

MEMS傳感部件中的藍(lán)色部分是可移動(dòng)的，而紅色部分是固定的。在加速或減速時(shí)，藍(lán)色部分將向左或向右移動(dòng)，藍(lán)色和紅色部分之間的電容則隨之改變。通過(guò)測(cè)量電容C1和C2即可確定加速度。如下圖所示：

也就是說(shuō)，在被測(cè)物傾斜時(shí)會(huì)產(chǎn)生的加速或減速，令MEMS傳感部件中可移動(dòng)部分向一側(cè)移動(dòng)，圖示如下：

從該原理中可以看到，在測(cè)量過(guò)程中MEMS傳感部件對(duì)震動(dòng)會(huì)很敏感，被測(cè)物體的震動(dòng)會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。所以必須加入濾波器，消除一定頻率之外的干擾。

下面我就盤(pán)點(diǎn)一下傾角傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合。

1. 傾角傳感器應(yīng)用—軌檢儀，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)鐵道的傾斜度和高度差。

2. 傾角傳感器應(yīng)用—基槽清平機(jī)，用于地基基槽和農(nóng)田地面平整。對(duì)平整度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

3. 傾角傳感器應(yīng)用—水田平地機(jī)，用于南方水田土壤平整，水田精細(xì)平整技術(shù)是在水稻生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)約灌溉用水、提高肥料利用率、抑制雜草生長(zhǎng)，提高水稻產(chǎn)量、減少生產(chǎn)成本的重要措施。

4. 傾角傳感器應(yīng)用—車載光電跟蹤設(shè)備上，在光電跟蹤設(shè)備基座上安裝雙軸傾角傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基座的水平度，保證車載光電跟蹤設(shè)備高精度工作。

5. 傾角傳感器應(yīng)用—城市管道機(jī)器人；

6. 傾角傳感器應(yīng)用—船舶氣囊下水過(guò)程中；

7. 傾角傳感器應(yīng)用—船載水平平臺(tái)上，用于船載衛(wèi)星跟蹤天線的底座，以保持天線始終處于水平狀態(tài)，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可以隔離船體的俯仰和橫滾運(yùn)動(dòng)，使平臺(tái)處于水平；

8. 傾角傳感器應(yīng)用—大型光電設(shè)備基準(zhǔn)平面自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)上，由安裝在基座上的傾角傳感器檢測(cè)基準(zhǔn)平面的傾角大小及方向，將此角度根據(jù)調(diào)平算法換算為若干個(gè)機(jī)械支腿的伸長(zhǎng)量，驅(qū)動(dòng)機(jī)械支腿伸長(zhǎng)使基準(zhǔn)平面達(dá)到水平；

9. 傾角傳感器應(yīng)用—大型鋪管船吊鉤擺動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整；

10 傾角傳感器應(yīng)用—陸地大型吊車上；

11. 傾角傳感器應(yīng)用—電視塔；

12. 傾角傳感器應(yīng)用—潛艇上水平臺(tái)校準(zhǔn)上，羅經(jīng)、計(jì)程儀都對(duì)水平度要求很高，便攜式水平校準(zhǔn)儀；

13. 傾角傳感器應(yīng)用—電動(dòng)車蹺蹺板上；

14. 傾角傳感器應(yīng)用—飛艇姿態(tài)控制上，用于深林火災(zāi)監(jiān)測(cè)，確保紅外線成像及其他精密儀器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

15. 傾角傳感器應(yīng)用—無(wú)人機(jī)上，實(shí)時(shí)獲取無(wú)人接姿態(tài)信息，確保安全準(zhǔn)確飛行；

16. 傾角傳感器應(yīng)用—測(cè)斜儀上；

17. 傾角傳感器應(yīng)用—山體滑坡監(jiān)測(cè)上；

18. 傾角傳感器應(yīng)用—水平校正儀；

19. 傾角傳感器應(yīng)用—火炮上，火炮射擊時(shí)對(duì)炮床傾角的要求很高，利用傳感器設(shè)計(jì)的數(shù)字式象限儀，可明顯提高規(guī)正炮床的速度，降低操作難度；

20. 傾角傳感器應(yīng)用—火炮野外作業(yè)時(shí)調(diào)平系統(tǒng)上；

21. 傾角傳感器應(yīng)用—衛(wèi)星姿態(tài)控制上；

22. 傾角傳感器應(yīng)用—頂橋施工上；

23. 傾角傳感器應(yīng)用—人體上肢動(dòng)作輸入設(shè)備上；

24. 傾角傳感器應(yīng)用—工廠，工廠中很多地方都能用到傾角傳感器，如：鋼鐵工廠里鑄造的鐵皮表面的平滑度以及工廠煙筒的傾斜度等；

25. 傾角傳感器應(yīng)用—山體，可以用來(lái)檢測(cè)山體的傾斜角度、山體滑坡等自然災(zāi)害的發(fā)生；

26. 傾角傳感器應(yīng)用—鐵路，鐵路行業(yè)可以用來(lái)測(cè)量鐵軌的平滑度、高速列車車體傾斜度的測(cè)量以及鐵軌旁的信號(hào)塔的傾斜角度；

27. 傾角傳感器應(yīng)用—隧道，可以在隧道建設(shè)中測(cè)量隧道的水平度等；

28. 傾角傳感器應(yīng)用—船舶業(yè)，船舶業(yè)上一般使用傾角傳感器來(lái)檢測(cè)船體本身在運(yùn)行過(guò)程中的傾斜情況，防止由于傾斜度過(guò)大而導(dǎo)致翻船現(xiàn)象；

29. 傾角傳感器應(yīng)用—機(jī)械安裝，用于大理石平臺(tái)水平的調(diào)整、零位的校準(zhǔn)、機(jī)床的調(diào)平等；

30. 傾角傳感器應(yīng)用—建筑業(yè)，建筑業(yè)對(duì)水平和垂直的要求比較高，所以在建筑業(yè)傾角傳感器使用的空間很大，使用的地方也比較多，但目前的使用量較少，有待進(jìn)一步市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)；

31. 傾角傳感器應(yīng)用—醫(yī)療事業(yè)，普遍應(yīng)用在醫(yī)療器械和人體檢測(cè)等方面；

32. 傾角傳感器應(yīng)用—橋梁鋪設(shè)，主要用于橋梁的設(shè)計(jì)和建設(shè)；

33. 傾角傳感器應(yīng)用—水壩建設(shè)，在水壩建設(shè)中用于水壩的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水壩的位移和水壩收沖擊之后微小傾斜的角度；

34. 傾角傳感器應(yīng)用—汽車行業(yè)，可用于汽車的四個(gè)輪輪胎的定位以及防盜系統(tǒng)，也可用于各種通訊車和工程車傾斜角度的監(jiān)測(cè)，甚至是車載的天線定位以及地面的導(dǎo)航系統(tǒng)；

35 傾角傳感器應(yīng)用—核工業(yè)和航天事業(yè)，可以應(yīng)用在探測(cè)衛(wèi)星中，實(shí)時(shí)體統(tǒng)探測(cè)衛(wèi)星本體傾斜的角度和運(yùn)行的狀況。

疑問(wèn)解答

1. 名詞解釋

補(bǔ)償交叉靈敏度：僅用于雙軸型傾角傳感器。一般情況下，一個(gè)軸的傾斜會(huì)影響另外一個(gè)軸。該補(bǔ)償能夠盡可能的減小這種影響。

振動(dòng)抑制特性：用于設(shè)置濾波器。通過(guò)設(shè)置，能夠消除振動(dòng)帶來(lái)的負(fù)面影響，獲得穩(wěn)定的信號(hào)輸出。

溫度系數(shù)：傾角傳感器會(huì)受溫度影響，隨著溫度的升高輸出信號(hào)會(huì)變差。

軸指定：對(duì)于TMS/TMM88模擬量，有兩個(gè)通道：A通道和B通道。默認(rèn)情況下，A通道指定對(duì)應(yīng)X軸，B通道指定對(duì)應(yīng)Y軸。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系可以通過(guò)編程器進(jìn)行編程改變。

2.為什么具有塑料和鋁合金金屬兩種外殼？

分別應(yīng)用于不同的環(huán)境里。對(duì)于室內(nèi)和工廠內(nèi)的應(yīng)用，一般使用塑料外殼，性價(jià)比高。對(duì)于室外的應(yīng)用，特別是野外靠近植物的場(chǎng)景（例如割草機(jī)），一般使用金屬外殼，因?yàn)橹参锓置诘乃嵝晕镔|(zhì)會(huì)腐蝕塑料外殼。但是，在有水泥粉塵的環(huán)境里，一般使用塑料外殼。

3. 為什么有IP65和IP67兩種防護(hù)等級(jí)？

兩種防護(hù)的意義不同，相互獨(dú)立。IP65表示：任何角度水的低壓噴射；IP67表示：短時(shí)間內(nèi)耐浸泡。

4. 什么是可配置的數(shù)字濾波器？

濾波器有兩種：巴特沃茨（Butterworth）濾波器和臨界阻尼濾波器（Critically damped）。巴特沃茨更適用于測(cè)量非移動(dòng)的、振動(dòng)較強(qiáng)的物體，例如大型鉆井臺(tái)；臨界阻尼濾波器更適合用于測(cè)量移動(dòng)的物體，例如工程車輛、農(nóng)業(yè)車輛等。目前市面上絕大多數(shù)的傾角傳感器僅配備了巴特沃茨濾波器，甚至不配備任何濾波器；而東方微電的傾角傳感器同時(shí)配備兩種以供客戶選擇。