CN104165620B - 一种组合敏感元件高精度倾斜角传感器 - Google Patents
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Abstract
一种组合敏感元件高精度倾斜角传感器，属于传感器领域。包括工装模块、传感器外壳、敏感元件芯片、信号处理电路模块、电源管理滤波电路、微处理器、数字量输出模块。将2个以上小量程集成倾斜角敏感元件芯片，依位置关系固定在工装模块上；当工装模块随传感器外壳转动时，多个倾斜角敏感元件芯片的输出信号依次进入信号处理电路模块上的微处理器，微处理器根据传感器外壳相对水平面倾斜角度的变化，采集相应的多个敏感元件芯片的信号进行程序化处理，扩大整体倾斜角传感器测量范围。本发明通过不同量程或不同分辨率的多个敏感元件芯片通过空间位置组合，经过微处理器和电子电路模块处理，最终实现高精度大量程倾斜角度测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种倾斜角传感器，属于传感器领域，具体涉及一种采用不同量程或不同分辨率的多个敏感元件芯片通过空间位置组合，经过微处理器和电子电路模块处理，实现高精度大量程倾斜角度测量的传感器。
背景技术
随着工业自动化检测与精确控制需求的日益增加，在许多技术领域要求精准测量物体相对于水平面或垂直面的空间位置角度，即倾斜角度。比如：电力高压线塔、无线通讯信号塔、风力发电机支撑杆、海上钻井平台、工程机械、煤矿机械、建筑物倾斜、雷达天线等测量，对于倾斜角传感器的精度要求很高，一般需要达到角分级(′)或角秒级(")。
倾斜角测量有很多种不同测量原理，如电解液水泡测量、热浮气流温差测量、固体摆锤重力测量、磁敏感倾斜角测量、陀螺仪倾斜角测量、激光测距倾斜角测量等不同方法。目前最为常见的倾斜角传感器是采用微电子机械系统(Micro-electro-mechanical Systems，简称MEMS)工艺，利用测量加速度原理的集成敏感元件芯片，获得被测物体与垂直于地面(水平面)的重力加速度方向相对空间夹角变化，实现对倾斜角度的测量。该种集成敏感元件芯片具有集成度高，经DSP系统处理，敏感元件与处理电路一体化设计，给定量程输出信号进行标准化处理，比如：±15°±30°±90°输出均对应模拟量0～5V电压信号。显然，量程越小，敏感元件芯片对应的分辨率越高。另外，重力加速度随空间角度变化在水平位置的正负角度范围内，满足正弦曲线规律变化，即被测倾斜角度越大，偏离线性越严重，单位角度对应的分辨率也会急剧下降，严重影响测量精度。由此导致了大角度范围难于实现高精度倾斜角度的测量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的是为了解决现有技术当中由于被测倾斜角度过大，严重偏离线性，导致单位角度对应的分辨率急剧下降，严重影响测量精度，由此导致了大角度范围难于实现高精度倾斜角度测量的问题。
一种组合敏感元件高精度倾斜角传感器，如图1所示。其特征在于：包括工装模块1、传感器外壳2、敏感元件芯片3、信号处理电路模块4、电源管理滤波电路5、微处理器(MCU)6、数字量输出模块7为基本组成；通过工装模块1的设计，将2个以上测量范围小于±90°的70％以下的小量程集成倾斜角敏感元件芯片3(可以为2至36个)，依位置关系固定在工装模块1上；当工装模块随传感器外壳2转动时，信号处理电路模块4上的微处理器根据传感器外壳2相对水平面倾斜角度的变化，采集相应的多个敏感元件芯片3的信号进行程序化处理，实现扩大整体倾斜角传感器测量范围的目的。电源管理和滤波电路5对倾斜角敏感元件芯片提供标准化稳定的供电电源，并对原始信号进行高频滤波。通过多个集成敏感元件芯片依位置关系的组合，可以实现360°空间位置内高精度倾斜角度的测量。
信号处理电路模块4上的数字量输出模块7将实时倾斜角度信息以二进制、十进制、十六进制、格雷码数据格式通过SPI、SSI、RS-232、RS422、RS-485、CAN总线、LIN总线等通信方式发送输出电信号。
工装模块1根据倾斜角敏感元件芯片3的分辨率、或满足线性度精度要求，或满足测量精度要求，相对水平零点位置的测量范围为±θ角度；工装模块1的设计第一斜面与水平面夹角为根据“量程和精度”选用的敏感元件芯片全量程的一半，α＝θ角；工装模块的第二斜面与水平面的夹角β＝3×θ；采用三个敏感元件芯片，第三个斜面与水平面的夹角γ＝5×θ，依次类推，第N个斜面与水平面的夹角(2N-1)×θ；当倾斜角传感器按指定方向转动时，多个小量程高分辨率敏感元件依次进入测量量程，微处理器对各个敏感元件测量的各自区间及分界点进行标定，线性度较准，温度补偿处理，经后续处理电路对角度信号进行标准化。
信号处理电路模块4上如果增加LED，LCD，OLED，彩色液晶显示模块8等，可以构成带读数显示的高精度倾斜角传感器。
信号处理电路模块4上如果增加继电器及驱动电路模块9，将微处理器6处理后的数字信号，增加上下限报警逻辑判断，电路中设置1～4个继电器或数字开关电路，能实现超限报警功能。
信号处理电路模块4上如果增加DAC转换电路10，可以将数字信号转换为0～5V、0～10V、±5V、±10V、4～20mA，0～20mA等模拟信号输出。
所述信号处理电路模块4上如果增加无线发射模块11，可以将实时倾斜角信息以无线形式发送至接收单元，构成具有无线通讯功能的高精度倾斜角传感器。
将两个工装模块1垂直放置，可以实现二维X-Y平面两个方向大量程高精度的测量。
本发明优点是通过不同量程或不同分辨率的多个敏感元件芯片通过空间位置组合，经过微处理器和电子电路模块处理，最终实现高精度大量程倾斜角度测量，结构巧妙，功能齐备，可以实现360°全量程线性高精度的倾斜角测量。
附图说明
下面结合附对本发明作进一步说明：
图1中：1工装模块，2传感器外壳，3倾斜角敏感元件芯片(简称敏感元件芯片)，4信号处理电路模块，5电源管理与滤波电路，6微处理器(MCU)，7数字量输出模块，8显示模块，9继电器与驱动电路模块，10DAC转换电路模块，11无线发射模块。
图2是本发明模具工装模块示意图。1为根据敏感元件芯片的量程设计的专用工装模块；3为多于一个的敏感元件芯片，可以是相同量程的，也可以是不同量程的；工装模块1斜面的位置夹角必须根据所选用的敏感元件芯片的量程特殊设计后加工制备。
图3是实施例1第二工装模块12的示意图。采用两个量程为±30°倾斜角敏感元件芯片，第一斜面14与第一水平基面13之间的夹角α＝30°；第二斜面15与第一水平基面13的夹角β＝90°。由此可以实现量程0～90°或0～120°高精度倾斜角的测量。
图4是实施例2第三工装模块16的示意图。采用两个量程为±30°倾斜角敏感元件芯片3分别安装在三角形的两个斜边上，图中第三工装模块16三角形的两个底角α＝30°，β＝-30°。由此可以实现量程±60°高精度倾斜角的测量。
图5是实施例3示意图，是采用三个±15°倾斜角敏感元件芯片3第四工装模块17示意图。三个±15°敏感元件芯片3，分别安装在斜面18、19、20上，其中夹角α＝15°，β＝45°，γ＝75°，由此可以实现量程0～90°高精度倾斜角度的测量。
具体实施方式
实施例1：
如图3所示，为采用两个±30°倾斜角敏感元件芯片实现扩大量程高精度倾斜角测量的第二工装模块12示意图；1个±30°倾斜角敏感元件芯片放置在第一斜面14上，它与第二水平基面13之间的夹角α＝30°。另一个±30°倾斜角敏感元件芯片放置在第二斜面15，该斜面与水平基面13的夹角β＝90°。当第二工装模块12随着本发明倾斜角传感器顺时针转动时，经过电路处理模块的智能化程序处理，可以实现量程0～90°或0～120°高精度倾斜角的测量。
实施例2：
如图4所示，为了提高分辨率和线性度，采用两个±30°倾斜角敏感元件芯片安装在三角形的第三工装模块16示意图。2个±30°倾斜角敏感元件芯片3分别安装在等腰三角型的两个斜面上，三角形模块的底角，α＝30°，β＝-30°。当第三工装模块16随着本发明倾斜角传感器沿着水平方向正负转动时，经过电路处理模块的智能化程序处理，可以实现量程可以实现量程±60°高精度倾斜角的测量。
实施例3：
如图5所示，为采用3个±15°敏感元件芯片3第四工装模块21结构示意图。第四工装模块第三斜面18与第二水平面17的夹角为α＝15°，第四斜面19与第二水平面17夹角为β＝45°，第五斜面20与水平面17夹角为γ＝75°，当模块随传感器外壳顺时针转动时，通过电路处理模块4的智能化程序处理，可以实现0～90°高精度的测量。
Claims (6)
1.一种组合敏感元件高精度倾斜角传感器，其特征在于：包括工装模块(1)、传感器外壳(2)、敏感元件芯片(3)、信号处理电路模块(4)、电源管理和滤波电路(5)、微处理器(6)、数字量输出模块(7)；通过工装模块(1)的设计，将2个以上测量范围小于±90°的小量程集成倾斜角敏感元件芯片(3)依位置关系固定在工装模块(1)上，并且小量程集成倾斜角敏感元件芯片工作时的测量范围在芯片测量量程的70％以下；当工装模块固定并随传感器外壳(2)转动时，信号处理电路模块(4)上的微处理器(6)根据传感器外壳(2)相对水平面倾斜角度的变化，采集相应的多个敏感元件芯片(3)的信号进行程序化处理，实现扩大整体倾斜角传感器测量范围的目的；电源管理和滤波电路(5)对倾斜角敏感元件芯片提供标准化稳定的供电电源，并对原始信号进行高频滤波；
信号处理电路模块(4)上的数字量输出模块(7)将实时倾斜角度信息以二进制、十进制、十六进制、格雷码数据格式通过SPI、SSI、RS-232、RS422、RS-485、CAN总线、LIN总线通信方式发送输出电信号；
工装模块(1)根据倾斜角敏感元件芯片(3)的分辨率要满足线性度精度要求，或满足测量精度要求，相对水平零点位置的测量范围为±θ角度；工装模块(1)的第一斜面与水平面夹角设计为：根据“量程和精度”选用的敏感元件芯片全量程的一半，α＝θ角；工装模块的第二斜面与水平面的夹角β＝3×θ；第三个斜面与水平面的夹角γ＝5×θ，依次类推，第N个斜面与水平面的夹角(2N-1)×θ；当倾斜角传感器按指定方向转动时，多个小量程高分辨率敏感元件芯片依次进入测量量程，微处理器对各个敏感元件芯片测量的各自区间及分界点进行标定，线性度较准，温度补偿处理，经后续集成电路对角度信号进行标准化。
2.根据权利要求1所述一种组合敏感元件高精度倾斜角传感器，其特征在于：信号处理电路模块(4)上增加LED，LCD，OLED显示模块(8)，构成带读数显示的高精度倾斜角传感器。
3.根据权利要求1所述一种组合敏感元件高精度倾斜角传感器，其特征在于：信号处理电路模块(4)上增加继电器及驱动电路模块(9)，将微处理器(6)处理后的数字信号，增加上下限报警逻辑判断，电路中设置1～4个继电器或数字开关电路，实现超限报警功能。
4.根据权利要求1所述一种组合敏感元件高精度倾斜角传感器，其特征在于：信号处理电路模块(4)上增加DAC转换电路(10)，将数字信号转换为0～5V、0～10V、±5V、±10V、4～20mA，0～20mA模拟信号输出。
5.根据权利要求1所述一种组合敏感元件高精度倾斜角传感器，其特征在于：信号处理电路模块(4)上增加无线发射模块(11)，将实时倾斜角信息以无线形式发送至接收单元，构成具有无线通讯功能的高精度倾斜角传感器。
6.根据权利要求1所述一种组合敏感元件高精度倾斜角传感器，其特征在于：将两个工装模块(1)互相垂直放置，实现二维X-Y平面两个方向大量程高精度的测量。
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