《MEMS倾角传感器》PPT课件.ppt

基于微加速度传感器的倾角传感器 目录 倾角传感器简介倾角传感器分类及其原理电容式加速度微传感器倾角传感器测量原理总结 倾角传感器简介 在建筑施工或道路铺修中 经常要对工程机械或机架装置进行调平校准 并且要对施工质量进行检测 这时遇到最多的问题就是水平与倾斜的测量 如果能设计一种带数字显示及数字通讯接口的倾角传感器 用以代替基于水泡的各种水平尺等简陋工具 既可以安装到这些施工机械上用于自动调平 也可以作为对施工质量进行检测的仪表 就正好适应了这种行业工作的需求 倾角传感器简介 倾角传感器用于操作动作频繁 露天等环境恶劣的场合 因此在响应速度 可靠性 体积 稳定性 使用寿命和成本方面要求很高 基于MEMS加速度传感器的倾角传感器采用体积小 功耗低 响应速度快和高可靠的传感元件 已经广泛应用于工程机械领域 倾角传感器分类及其原理 根据原理分类倾角传感器 固体摆 式倾角传感器 液体摆 式倾角传感器 气体摆 式倾角传感器 固体摆 式倾角传感器 固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统 如图所示 其由摆锤 摆线 支架组成 摆锤受重力G和摆拉力T的作用 其合外力F为 如应变式倾角传感器就基于此原理 液体摆 式倾角传感器 液体摆 式倾角传感器 气体摆 式倾角传感器 气体摆 式惯性元件由密闭腔体 气体和热线组成 当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体受到加速度的作用时 热线的阻值发生变化 并且热线阻值的变化是角度 或加速度的函数 因而也具有摆的效应 其中热线阻值的变化是气体与热线之间的能量交换引起的 气体摆 式倾角传感器 其中 Nu为 努塞尔 Nusselt 数 热传导率 W mK Re 雷诺 Reynold 数 U 流体速度 m2 s D 热线的直径 m v 流体的动力学粘度 气体摆 式倾角传感器 气体摆 式倾角传感器 电流流过热线 热线产生热量 使热线保持一定的温度 热线的温度高于它周围气体的温度 动能增加 所以气体向上流动 在平衡状态时 如图所示 热线处于同一水平面上 上升气流穿过它们的速度相同 即V1 V1 这时 气流对热线的影响相同 由式可知 流过热线的电流也相同 电桥平衡 当密闭腔体倾斜时 热线相对水平面的高度发生了变化 如图所示 因为密闭腔体中气体的流动是连续的 所以热气流在向上运动的过程中 依次经过下部和上部的热线 若忽略气体上升过程中克服重力的能量损失 则穿过上部热线的气流已经与下部热线的产生热交换 使穿过两根热线时的气流速度不同 这时V2 V2 因此流过两根热线的电流也会发生相应的变化 所以电桥失去平衡 输出一个电信号 固 液 气体摆性能比较 在重力场中 固体摆的敏感质量是摆锤质量 液体摆的敏感质量是电解液 而气体摆的敏感质量是气体 气体是密封腔体内的唯一运动体 它的质量较小 在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小 所以具有较强的抗振动或冲击能力 但气体运动控制较为复杂 影响其运动的因素较多 其精度无法达到军用武器系统的要求 固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心 其机理基本上与加速度传感器相同 在实用中产品类型较多如电磁摆式 其产品测量范围 精度及抗过载能力较高 液体摆倾角传感器介于两者之间 但系统稳定 在高精度系统中 应用较为广泛 且国内外产品多为此类 微加速度传感器 MEMS加速度传感器是惯性器件的一个大的种类 以其制造采用集成电路的加工工艺而明显地区别于其他惯性传感器 其优点在于寿命更长 制造成本低廉且可靠性更高 此外 还具有体积更小 重量更轻 耗电量更小 易集成 能大批量生产等特点 微加速度传感器的种类 压阻式加速度微传感器电容式加速度微传感器谐振式加速度微传感器伺服式加速度微传感器隧道型加速度微传感器 电容式加速度微传感器 电容式微加速度传感器式通过可动质量块感应加速度 利用平行板电容将质量块的相对位移转换为电容的变化 再通过检测电路将电容的微小变化转换为与其成正比的电压的变化 电容式加速度微传感器 电容式加速度传感器具有温度效应小 功率损耗低 灵敏度相对较高 可达0 01mg 结构比较简单 加工工艺不复杂等突出优点 同时 动态特性好 抗过载能力强 但外界加速度仅能引起微小的电容变化 通常在10 15量级甚至更低 测试方法复杂 电容式加速度微传感器工作原理 倾角计算方法 倾角计算方法 图2是利用双轴的加速度计来进行单个轴的倾斜角度的测量图解 这时加速度输出和倾斜角的关系为在此 所以很容易获得 或者 的值 所以倾斜角 的值可以通过反正切方程求得 倾角传感器硬件系统 倾角传感器软件流程图 实验结果 在0 360 测量范围内 测量精度可达到 0 3 测量角度分辨率为0 01 总结 基于加速度传感器的倾角传感采用CAN总线通讯 保证了通讯的稳定 可靠 采用先进的传元件 精度高 响应快 质量轻 外形小巧 安装方便 坚固耐用 防护等级达到IP67 是一款满足机械特定需求的数字式角度测量装置 ENDThanks