CN102032900A

CN102032900A - 一种数字式倾角传感器

Info

Publication number: CN102032900A
Application number: CN 201010567861
Authority: CN
Inventors: 李宏伟; 王勇; 冷志鹏
Original assignee: Shangong Structure Monitor & Control Engineering Center Co Ltd Ningbo
Current assignee: Shangong Structure Monitor & Control Engineering Center Co Ltd Ningbo
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2011-04-27

Abstract

本发明公开了一种数字式倾角传感器，包括倾角传感器芯片、信号调理放大模块、A/D模数转换模块、信号处理模块和信号输出模块，倾角传感器芯片集成有用于感应载体的温度的温度传感器，优点在于通过在倾角传感器芯片与A/D模数转换模块之间设置一个信号调理放大模块，由信号调理放大模块对倾角传感器芯片输出的模拟电压信号进行放大和滤波处理，再将处理后的模拟电压信号传输给A/D模数转换模块，通过信号调理放大模块的处理，能够有效提高传感器的分辨率；另一方面，该倾角传感器芯片集成有温度传感器，倾角传感器芯片将数字温度信号传输给信号处理模块进行分析处理，为实际测量提供了温度补偿，能够有效解决温漂问题，提高测量精度。

Description

一种数字式倾角传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其是涉及一种数字式倾角传感器。

背景技术

随着传感器技术的快速发展，以及电子技术和计算机技术的日益成熟，已经有越来越多的全数字智能倾角传感器逐渐代替传统的模拟信号输出的模拟倾角传感器，并且在性能上远高于传统的模拟倾角传感器。相比模拟倾角传感器，数字式倾角传感器具有测量精度高、分辨率高、输出信号抗干扰能力强及可直接接入计算机进行数字处理等优点。

2008年1月16日授权公告的中国实用新型专利“双轴倾角传感器”（专利号：ZL200620136463.1，授权公告号：CN 201007649Y）是一种数字式倾角传感器，其包括用于将感应的重力加速度信号转换成电压信号的加速度计芯片，所述加速度计芯片的电压输出信号经A/D转换模块接至用于对该电压信号进行角度分析处理的CPU计算模块，所述CPU计算模块的输出经信号转换模块以RS422接口信号输出。该双轴倾角传感器通过加速度计芯片感知地球重力加速度在其测量轴上的分量的大小来确定物体的倾斜角度，响应快、功耗低。但该双轴倾角传感器的分辨率仍然不高，这样将会给后续的数字处理带来极大的困难；同时，该双轴倾角传感器存在温漂现象，将直接影响测量精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效提高分辨率，且能够解决温漂问题以提高测量精度的数字式倾角传感器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种数字式倾角传感器，其特征在于包括倾角传感器芯片、信号调理放大模块、A/D模数转换模块、信号处理模块和信号输出模块，所述的倾角传感器芯片集成有用于感应载体的温度的温度传感器，所述的倾角传感器芯片、所述的信号调理放大模块、所述的A/D模数转换模块、所述的信号处理模块和所述的信号输出模块依次连接，所述的倾角传感器芯片与所述的信号处理模块连接；所述的倾角传感器芯片传输用于表示所述的温度传感器感应得到的载体的温度的数字温度信号给所述的信号处理模块，所述的倾角传感器芯片感应重力加速度信号，并转换重力加速度信号为模拟差分电压信号，传输模拟差分电压信号给所述的信号调理放大模块，所述的信号调理放大模块传输其处理后的模拟差分电压信号给所述的A/D模数转换模块，所述的A/D模数转换模块转换模拟差分电压信号为数字电压信号，并传输数字电压信号给所述的信号处理模块，所述的信号处理模块对其接收到的数字电压信号和数字温度信号进行处理获得载体的倾斜角度信息，并传输载体的倾斜角度信息给所述的信号输出模块，所述的信号输出模块转换载体的倾斜角度信息为串口输出信号，通过设置于所述的信号输出模块上的串口接口输出。

所述的信号处理模块分别通过SPI总线与所述的A/D模数转换模块和所述的倾角传感器芯片连接。

所述的信号输出模块上设置有RS485串口接口，所述的信号输出模块转换载体的倾斜角度信息为RS485串口输出信号，并通过设置于所述的RS485串口接口输出。

所述的倾角传感器芯片的型号为SCA103T。

所述的信号调理放大模块包括型号为INA114的差分运放芯片及主要由型号为LTC1062的芯片和型号为OP177的芯片组成的低通滤波电路，所述的差分运放芯片放大所述的倾角传感器芯片输出的模拟差分电压信号，并传输放大后的模拟差分电压信号给所述的低通滤波电路，所述的低通滤波电路滤波处理其接收到的模拟差分电压信号，并传输滤波处理后的模拟差分电压信号给所述的A/D模数转换模块。

所述的A/D模数转换模块采用型号为AD7732的A/D转换器芯片。

所述的信号处理模块采用型号为ATMEGA16的单片机。

所述的信号输出模块采用型号为MAX485的芯片。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过在倾角传感器芯片与A/D模数转换模块之间设置一个信号调理放大模块，由信号调理放大模块对倾角传感器芯片输出的模拟电压信号进行放大和滤波处理，再将处理后的模拟电压信号传输给A/D模数转换模块，通过信号调理放大模块的处理，能够有效提高传感器的分辨率；另一方面，该倾角传感器芯片集成有温度传感器，倾角传感器芯片将用于表示温度传感器感应得到的载体的温度的数字温度信号传输给信号处理模块进行分析处理，为实际测量提供了温度补偿，能够有效解决温漂问题，提高测量精度。此外，本数字式倾角传感器采用微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems）的倾角传感器芯片进行倾角测量，使本数字式倾角传感器具有体积小、成本低、精度高、可靠性良好等优点。

附图说明

图1为本发明的数字式倾角传感器的组成示意图；

图2为型号为SCA103T的倾角传感器芯片的电路图；

图3为信号调理放大模块的电路图；

图4为A/D模数转换模块的电路图；

图5为信号处理模块的电路图；

图6为信号输出模块的电路图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种数字式倾角传感器，如图1所示，其包括倾角传感器芯片1、信号调理放大模块2、A/D模数转换模块3、信号处理模块4和信号输出模块5，倾角传感器芯片1集成有用于感应载体的温度的温度传感器（图中未示出），倾角传感器芯片1、信号调理放大模块2、A/D模数转换模块3、信号处理模块4和信号输出模块5依次连接，其中A/D模数转换模块3通过SPI（serial peripheral interface）总线与信号处理模块4连接，信号处理模块4与信号输出模块5连接，倾角传感器芯片1通过SPI总线与信号处理模块4连接。倾角传感器芯片1传输用于表示温度传感器感应得到的载体的温度的数字温度信号给信号处理模块4，倾角传感器芯片1感应重力加速度信号，并转换重力加速度信号为模拟差分电压信号，传输模拟差分电压信号给信号调理放大模块2，信号调理放大模块2传输其处理后的模拟差分电压信号给A/D模数转换模块3，A/D模数转换模块3转换模拟差分电压信号为数字电压信号，并传输数字电压信号给信号处理模块4，信号处理模块4对其以SPI总线的形式接收到的数字电压信号和数字温度信号进行处理获得载体的倾斜角度信息，并传输载体的倾斜角度信息给信号输出模块5，信号输出模块5转换其接收到的载体的倾斜角度信息为RS485串口输出信号，通过设置于信号输出模块5上的RS485串口接口输出。

在此具体实施例中，倾角传感器芯片1采用芬兰VIT公司生产的型号为SCA103T的芯片U4，图2给出了该倾角传感器芯片的电路图。如图2所示，SCA103T芯片U4共有12个引脚，其中第1引脚、第3引脚、第5引脚和第7引脚分别与信号处理模块4连接，信号处理模块4从SCA103T芯片U4中读取数字温度信号，并根据SCA103T芯片U4手册中的温度补偿公式，实现角度测量的温度补偿；第5引脚和第11引脚输出差分比例模拟电压信号进入信号调理放大模块2，利用差动测量原理减小普通模式的误差和噪声。

在此具体实施例中，信号调理放大模块2具有差分放大和可保留直流分量的5阶低通滤波功能。信号调理放大模块2的电路图如图3所示，其包括差分运放INA114芯片U5及主要由型号为LTC1062的芯片U6和型号为OP177的芯片U7组成的低通滤波电路，差分运放INA114芯片U5放大来自SCA103T芯片U4的模拟差分电压信号，INA114芯片U5的输出信号进入低通滤波电路，低通滤波电路对模拟差分电压信号进行滤波处理，在低通滤波电路中型号为LTC1062的芯片U6通过输入端、输出端接地电容耦合，在原理上形成不了产生直流误差的电路。

在此具体实施例中，A/D模数转换模块3具有24位分辨率和±5V的输入量程。A/D模数转换模块3的电路图如图4所示，其采用了ADI公司生产的24位型号为AD7732的A/D转换器芯片U1。用户可通过简易数字接口对该A/D转换器芯片U1进行配置，从而平衡噪声性能与数据吞吐量，实现最高12.3 kHz的转换速率。该A/D转换器芯片U1的模拟前端具有两个道，采用5V单模拟电源供电时，可接受最高±10 V的单极性或真双极性输入范围。其作为一款高精度的A/D采集芯片，AD7732芯片U1需要一个外部基准电压源，考虑其24位的精度，实际使用过程中必须选用一款高精度的基准电压源。ADI公司生产的型号为ADR431的芯片U2是一款具有低噪声、高精度参考、低温度漂移性能参考源，满足为AD7732芯片U1提供2.5V电压基准的条件。A/D模数转换模块3采集信号调理放大模块2输出的模拟电压信号，将转换得到的数字电压信号以SPI总线的形式发送给信号处理模块4。

在此具体实施例中，信号处理模块4采用了Atmel公司生产的型号为ATMEGA16的单片机U11，其电路图如图5所示。信号处理模块4通过SPI总线分别接收来自倾角传感器芯片1的数字温度信号和来自A/D模数转换模块3的数字电压信号，通过运算处理补偿温度对实际测量的影响并将数字电压信号转换成载体的倾斜角度信息，然后以RS485串口总线形式发送载体的倾斜角度信息给信号输出模块5。

在此具体实施例中，信号输出模块5的电路图如图6所示，信号输出模块5选用了型号为MAX485的芯片U3，型号为MAX485的芯片U3转换型号为ATMEGA16的单片机U11输出的串行接口信号。

Claims

1.一种数字式倾角传感器，其特征在于包括倾角传感器芯片、信号调理放大模块、A/D模数转换模块、信号处理模块和信号输出模块，所述的倾角传感器芯片集成有用于感应载体的温度的温度传感器，所述的倾角传感器芯片、所述的信号调理放大模块、所述的A/D模数转换模块、所述的信号处理模块和所述的信号输出模块依次连接，所述的倾角传感器芯片与所述的信号处理模块连接；所述的倾角传感器芯片传输用于表示所述的温度传感器感应得到的载体的温度的数字温度信号给所述的信号处理模块，所述的倾角传感器芯片感应重力加速度信号，并转换重力加速度信号为模拟差分电压信号，传输模拟差分电压信号给所述的信号调理放大模块，所述的信号调理放大模块传输其处理后的模拟差分电压信号给所述的A/D模数转换模块，所述的A/D模数转换模块转换模拟差分电压信号为数字电压信号，并传输数字电压信号给所述的信号处理模块，所述的信号处理模块对其接收到的数字电压信号和数字温度信号进行处理获得载体的倾斜角度信息，并传输载体的倾斜角度信息给所述的信号输出模块，所述的信号输出模块转换载体的倾斜角度信息为串口输出信号，通过设置于所述的信号输出模块上的串口接口输出。

2.根据权利要求1所述的一种数字式倾角传感器，其特征在于所述的信号处理模块分别通过SPI总线与所述的A/D模数转换模块和所述的倾角传感器芯片连接。

3.根据权利要求1所述的一种数字式倾角传感器，其特征在于所述的信号输出模块上设置有RS485串口接口，所述的信号输出模块转换载体的倾斜角度信息为RS485串口输出信号，并通过设置于所述的RS485串口接口输出。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种数字式倾角传感器，其特征在于所述的倾角传感器芯片的型号为SCA103T。

5.根据权利要求4所述的一种数字式倾角传感器，其特征在于所述的信号调理放大模块包括型号为INA114的差分运放芯片及主要由型号为LTC1062的芯片和型号为OP177的芯片组成的低通滤波电路，所述的差分运放芯片放大所述的倾角传感器芯片输出的模拟差分电压信号，并传输放大后的模拟差分电压信号给所述的低通滤波电路，所述的低通滤波电路滤波处理其接收到的模拟差分电压信号，并传输滤波处理后的模拟差分电压信号给所述的A/D模数转换模块。

6.根据权利要求5所述的一种数字式倾角传感器，其特征在于所述的A/D模数转换模块采用型号为AD7732的A/D转换器芯片。

7.根据权利要求6所述的一种数字式倾角传感器，其特征在于所述的信号处理模块采用型号为ATMEGA16的单片机。

8.根据权利要求7所述的一种数字式倾角传感器，其特征在于所述的信号输出模块采用型号为MAX485的芯片。