為了測量煤礦井下液壓支架姿態(tài)角度以實現(xiàn)支架姿態(tài)模型檢測,設(shè)計了一款基于微電機系統(tǒng)（MEMS）加速度計的高精度傾角傳感器。首先,對MEMS加速度計測傾角的基本原理進行研究。其次,分析傳感器角度測量誤差的影響因素,提高傾角傳感器的測量精度:對加速度計的輸出數(shù)據(jù)進行分析,分別設(shè)計傳感器誤差校準(zhǔn)及坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的方法。最后,通過選用合適的傳感測量元件及輔助電路,成功設(shè)計了高精度三軸傾角傳感器。在試驗室中對樣機進行測試表明:該傾角傳感器可以實現(xiàn)三軸方向上±90°范圍的角度測量,測量精度在0.1°以內(nèi)。該產(chǎn)品不僅可以用于煤礦井下,實現(xiàn)液壓支架三軸姿態(tài)角度測量,滿足液壓支架姿態(tài)模型檢測與分析的要求;還可以作為一種傳感測量設(shè)備,在諸如工業(yè)自動化、智能平臺等領(lǐng)域,實現(xiàn)角度測量功能。此外,誤差校準(zhǔn)及坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方法可以為其他高精度設(shè)備的設(shè)計提供良好的理論基礎(chǔ)。 

【文章來源】：自動化儀表. 2020,41(03)

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

加速度計測傾角原理圖

通過反正弦函數(shù)即可求得部件的角度。但該方法中,當(dāng)部件的傾斜角度越接近±90°時,對加速度計的靈敏度要求會越高。圖2所示為在Matlab上模擬的0.1°精度下加速度計靈敏度要求。從圖2可以看出,當(dāng)要求的測量范圍為±23.7°時,靈敏度需要達到1.599 mg/0.1°;當(dāng)測量范圍為±90°時,靈敏度需要提高到0.016 759 mg/0.1°。目前,流行的方法是根據(jù)三軸加速度計的數(shù)據(jù),利用正切函數(shù)進行角度求解。它利用正弦函數(shù)與余弦函數(shù)的互補關(guān)系進行角度求解,可以在某一測量范圍內(nèi)降低單軸加速度數(shù)據(jù)靈敏度不高帶來的誤差。本文采用式(2)所示方法,計算X軸與水平面的夾角。

在傳感器測量數(shù)據(jù)完全精確的情況下,利用上述原理可以精確測得物體的姿態(tài)角度。但傳感器的數(shù)據(jù)很難保證理想精度。通過數(shù)據(jù)濾波的方法可以消除數(shù)據(jù)在采集過程中的干擾,不過傳感器內(nèi)部的影響因素卻無法消除。如傳感器的0偏移誤差及增益誤差,它們是每種傳感器都必然存在的誤差。若不進行處理,會對測量數(shù)據(jù)的精度產(chǎn)生一定甚至較大的影響。測量誤差曲線如圖3所示。參照ADXL355手冊上的平均0 g偏移量0.025 mg與最大增益誤差+8%處理后,按照式(2)計算出的理論誤差。從圖3中可以看出,角度的最大偏差可達到2°以上。當(dāng)兩者誤差相疊加時,會造成更大的誤差,遠遠超出傾角傳感器要求的測量精度。

【參考文獻】：
期刊論文
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