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作者: 儒雅熙 时间: 2011-1-30 13:32 标题: 角度测量：电解质型倾角传感器优势谈
角度测量：电解质型倾角传感器优势谈
长期以来，电解质型倾角传感器稳定工作的应用范围从高性能航空电子系统延伸到高精度地震监测仪器以及消费电子领域。近年来，微电子机械系统（MEMs）加速计和倾角传感器的应用越来越普遍，应用在汽车、游戏操控器和手机等消费产品中，工业用途则有建筑激光仪器、地理监测设备和机器水平调节仪。与电解质型倾角传感器相比，MEMs型产品通常尺寸更小，成本更低，因而成为生产制造中广受欢迎的元件。
既然MEMs具备如此吸引人的特性，为什么人们仍在广泛使用电解质型倾角传感器？
性能倾角传感器的性能取决于多项属性：漂移、可重复性和环境耐久性。
漂移意味着久而久之读数不准，需要经常性的校准。大部分MEMs产品要求稳定的电压供应，设备的高重复性要求很好地控制在微伏范围。要保证长时间和不同温度下的电压稳定性，就需要采用昂贵而高精度的电源。与MEMs产品相比，设计合理的电解质型倾角传感器具有优势，即其测量值是比率值，电压的差异不会影响传感器的读数，因此在操作时不需要昂贵的电源。
尽管MEMs产品的性能在逐步提高，但在高可重复性应用上仍无法与电解质型传感器竞争。高端的电解质型产品通常具备亚角秒级的可重复性，即便是价格低廉的产品现在也具备5角秒可重复性。非定制MEMs产品还不具备这种级别的性能，只有更昂贵的高端MEMs产品才具备此性能，而这要求昂贵的电子器件支持。
在极端条件下，电解质型传感器同样胜过MEMs产品。产品的环境耐久性极大地影响其性能。电解质型传感器在 60℃至120℃的温度范围内拥有良好的性能证明记录，在特定应用中的温度范围更宽，遍及航空航天、建筑、钻井和太阳能跟踪。由于没有易损耗的活动件，电解质型传感器拥有很长的使用期，能够应对振动和冲击。另外，电解质型传感器使用气密封口，因此不会有湿气问题；而由于MEMs产品使用塑料包装，湿气会对其造成影响。
简易性
电解质型倾角传感器简单易用、性能优越、坚固耐久。将倾角传感器集成到系统中就像读取模拟电压一样轻而易举，电压只是与角度成比例。由于读数是以比率计值，所以不需要完美的稳定5伏电压，只要倾角传感器驱动电压与模数转换（A/D）基准电压相同即可。电解质型传感器可以在任何电压下（5伏、3.3伏等）运转，因此其电子器件非常简单，需要的功率非常低。甚至在更低的功率消耗下，能够缩减工作周期，只在需要的时间读数。通过使用一个电源以及一个具备双数字端口和模数转换器的单片机，利用少量的无源元件就能够将倾角传感器集成到系统中。
正因为其简单易用性，倾角传感器有各种包装可选，比如Fredericks公司专利的金属罐电解质型传感器。一些新的陶瓷传感器设计有安装孔，以利于安装到凹凸不平的机械包装中。就像MEMs传感器很容易安装到电路板上一样，Fredericks公司生产的新型金属电解质型倾角传感器可以直接焊接到一块印刷电路板（PCB）上，从而很容易同其它电子器件集成。
为了达到高可重复性，传感器需要密封才能在不同温度下发挥最大性能。为了获得角秒范围角度的测量值，传感器需要有具备最小热变的稳定基底。在这些应用中，印刷电路板（PCB）并不是最佳的安装选择。对于密封，有许多种安装方案。传感器也可以安置在离印刷电路板一定距离的地方，从而避免使用定制板远距离安装电子器件。
售后支持与实用性
非定制（或者廉价的）MEMs传感器在商业驱动的大规模应用中，并没有承诺将来的可用性。在生产周期很长的实际应用中，采购经理和工程师不得不为过时零件寻找备件，许多时候将导致重新设计电路板或产品以适应新的MEMs产品的器件封装。唯一的出路就是终身采购该产品，或者花费大量时间和资源对电子器件进行重新设计和认证。与MEMs传感器供应商相比，许多电解质型倾角传感器公司在产品和客户支持上更加以客户为中心。他们会为了满足客户需求而做出修改，无论数量多少都会销售给客户。倾角传感器公司能够长期坚持其产品，服务其客户。即使正在开发创新部件，他们仍然继续生产远至上世纪60年代的零件，从而帮助客户继续生产传统产品而无需频繁地重新设计。
电解质型倾角传感器的未来
对于某些应用来说，MEMs倾角传感器在成本、大小和性能上是可以胜任的。然而，在要求低漂移和高可重复性的应用中，或者要求产品寿命长达数年的应用中，电解质型倾角传感器被证明是更好的选择。某些电解质型产品除了在性能方面的优势，还在价格上比同等性能的MEMs产品更具吸引力。一个金属双轴±65°电解质型传感器的成本通常少于5美元，而一台相同性能的MEMs产品和电子器件，其成本在18至25美元之间，价格上是电解质型的3.5至5倍。
电解质型倾角传感器的技术创新将继续提高其性能和耐久性。新型厚膜基玻璃倾角传感器在以极低的成本测量时能够达到亚角秒级可重复性；陶瓷传感器能够在更高的温度中工作；新的金属传感器能够同时做到高可重复性、更大的测量角度和更小的尺寸。随着近来创新的不断出现，以及生产商的大力支持，电解质型倾角传感器将继续成为令人信服的可靠的高性价比产品。
倾角传感器是测量关于水平面的倾斜角的装置，在土木建筑、水文地质、兵器、航空航天、生物医学等工程技术领域有着广泛的用途。倾角传感器种类繁多，按照其工作原理可以分为“固体摆”式，“液体摆”式，“气体摆”式三种倾角传感器。对于固体摆式倾角传感器的研究已经比较成熟，且应用广泛，但其易受外界干扰，如机械振动冲击；而液体摆式倾角传感器具有灵敏度高、耐腐蚀、耐潮湿等特点，但其致命的缺点是温度变化会严重影响其工作特性，从而限制了液体摆式倾角传感器的发展和应用；气体二手机器人摆式倾角传感器结构简单，抗振动和抗冲击能力强，但其受环境温度影响较大，测试精度不高。总之，现有的倾角传感器的精度需要较高的成本来提高，并存在零位偏差，时间漂移和温度漂移等问题。
针对上述问题本文设计了一种基于自动调零理论的自动调零伺服倾角传感器，其基本思想源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺旋转180°找平的古老方法，并采用步进电机及单片机控制技术设计和实现。这种自动调零伺服倾角传感器能很好的解决零位偏差，时间漂移和温度漂移等问题，使倾角传感器的性能得到了提高，具有非常重要的应用价值。
二、理论基础
自动调零伺服倾角传感器是设计用来校正各种来源的零位偏差和漂移。其基本思想来源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺在被测物体表面旋转180o来找平的古老方法。如果水泡显示了相同的结果就表示工作正常，否则就指示一个等于水泡顶点位置差额的一半的错误。在本文的应用中，伺服倾角传感器位于一个输入轴IA平行于其表面的旋转圆盘上，当要执行偏移校正操作时可以直接旋转180o到圆盘的相反位置上， 倾角传感器在零输入（倾角传感器的底座位于绝对水平的表面上）时的输出由两部分组成：
（1）偏移误差VB定义为不依赖于倾角传感器位置的输出。
（2）未对准误差角e主要是由于倾角传感器的底座没有与测量轴线绝对平行而造成的。这样就引起了一个与未对准角度成比例的输出电压Ve（对于很小的角度来说，sine≈e）。
一般来说，从等式中可以看出偏移误差和未对准误差是可以完全消除，从而可以得到真实的角度。事实上，这就是自动调零的作用。要把这些理论应用于实践，以下的基本条件必须满足：
（1）在位置2时的旋转圆盘的表面必须与位置1的表面平行。
（2）因为倾角传感器事实上是一个加速度计，所以在执行误差校正操作时仪器必须静止，而且要尽量避免震动。
（3）在测量位置的读数应该在倾角传感器的输出达到平衡状态时读取。
三、系统工作原理和结构
根据上面提出的自动调零的理论基础，要实现倾角传感器的自动调零，倾角传感器需要精确旋转180o。经过对各种微电机的比较，选用易于进行精确控制的步进电机来实现平台的旋转，然后将屋面排水倾角传感器精确地安装在此平台上。倾角传感器在两个相反位置上的读数需要用足够位数、精度和响应速度的A/D转换器进行转换，最后利用单片机存储和计算最终结果。其数字输出结果通过RS-232或者其他形式进行输出。
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