倾角/倾斜传感

介绍

低量程的Colibrys加速度传感器是测量倾角的理想产品,它使用地球的地平面作为参考。倾角和倾角测量有广泛多样的市场需求,如能源,军用/航空航天,以及工业与仪器仪表。典型的应用例子是:

● 指示车辆、帆船或飞机的倾斜和翻转状态
● 监控悬臂角度
● 测量距离和高度
● 钻井过程中,测量钻孔角度
● 平台和天线稳定性
● 罗盘校正
● 高速摆式列车的控制
● 武器安全系统

图一:Colibrys产品剖视图

图一:Colibrys产品剖视图

Colibrys MEMS 加速度传感器

Colibrys的倾角和倾斜传感器是一种MEMS电容式加速度传感器,它由一块微机械加工的体硅元件,一个低功耗 ASIC 专用信号处理器,一个用于存储补偿值的微控制器,和一个温度传感器组成。

倾角测量是准静态测量,通常要求具有低带宽的±1g或±2g加速度传感器。MS9001和MS9002产品是整个Colibrys 产品系列中最好的倾斜传感器。它是通过一个低电流消耗(<0.5毫安在5V)的电源电压(2.5V与5.5V之间)来运行的。当电源电压是5V时,满量程加速度的输出是一个在0.5V – 4.5V之间变化的比例模拟电压 。

这款传感器采用了完全独立的封装。为确保其全密封性,其器件封装在一个48只引脚的LCC陶瓷外壳内(MS8000.D),或是在一个20只引脚的LCC陶瓷外壳内(MS9000.D)。它们的工作温度范围是-55°C至125°C。并能承受高达6000g的冲击而不会导致芯片性能的下降。

Colibrys倾斜感应加速传感器产品有

– MS8002.D 传统的倾斜感应产品
– MS9001.D 专为倾斜应用设计的最新产品
– MS9002.D 8.9毫米x8.9毫米小封装尺寸

操作原理

这款加速度传感器是利用地球重力(1g)对于振动块的作用,把它作为输入加速度来确定倾角(图2)。

图2:  测量原理

图2: 测量原理

惯性质量块在硅片的中心,它通过弹簧支撑着检测质量块。加速度传感器输出信号“Vout”是一个比率式模拟电压,并遵循以下公式:

Vout = Bias + (Scale factor x Acceleration)

在这里:
– Bias [V] 为在加速度为0g时的输出电压
– Scale factor [V/g] 为传感器的灵敏度
– Acceleration [g] 为加在敏感轴上的地球加速度。

角度 Φ 通过下面公式计算:

Angle Φ = arcsin ((Vout – Bias) / (1g x Scale_factor))

在这里Φ 是角度。

可作为倾角传感器的变电容加速度传感器

通过重力加速度旋转可使加速度传感器产生正弦输出信号。图3显示了在各种地球加速度情况下,以加速度传感器MS9002.D为例子的示意图。

图3: 在不同角度情况下的MS9002.D加速度传感器

图3: 在不同角度情况下的MS9002.D加速度传感器

 

使用MS9002.D测量倾角的例子

在本例中,加速度传感器围绕X轴或Y轴旋转360°。表一显示了相应的角度[°], 通过敏感轴得到的加速度[g], 输出信号 [V], 和分辨率 [mg/°] 。从分辨率对角度的关系中,我们可以清楚地看到,尽管加速度传感器可以在360°以上的范围内提供信号,它的最佳的工作区域是在 0°和180°附近±30°的线性和对称区间。

倾角
[°]
敏感轴加速度
[g]
输出信号
[V]
分辨率
[mg/°]
0 0 2.5 17.452
30 0.5 3 15.038
60 0.866 3.366 8.594
90 1 3.5 -0.152
120 0.866 3.366 -8.858
150 0.5 3 -15.190
180 0 2.5 -17.452
210 -0.5 2 -15.038
240 -0.866 1.634 -8.594
270 -1 1.5 0.152
300 -0.866 1.634 8.858
330 -0.5 2 15.190
360 0 2.5 17.452

 

倾斜 / 倾角传感器的选择

为了选择一个倾角感应应用的最佳加速度传感器,我们必须考虑各种特性。为了最精确地测量倾角,加速度计的短期和长期稳定性,迟滞性能,可重复性和低噪声输出等都是关键的参数。在短期和长期稳定性方面,Colibrys的MS8002和MS9002加速度传感器是市面上最好的产品之一(1)。对于±2g满量程测量,测量误差小于2mg。这代表了小于0.1°的年稳定性。这些产品也能提供优异的零偏温度系数而无需补偿,(平均为100μg/度或0.007°/度,在±30度之内),低迟滞性能和高重复性。总之,噪声和带宽的组合决定了倾斜传感器的分辨率或最小可测量的角度。Colibrys产品表现为低噪声水平(对于一个±2g传感器, 典型值为20mg/√Hz),因此,使得可测量角度的分辨率能达到0.001°(均方根(RMS)噪声为1Hz带宽)。

(1) 根据IEEE 528-2001,一年期稳定性的定义是:打开/打开,放置在-55°C和85°C,-40°C至125°C 的温度循环中,-55°C至85°C经受无动力的扰动,震动和冲击

结论

近几年来,Colibrys 加速度传感器是一个成功的倾角传感器,并且被完美地集成到各种应用系统中,例如:罗盘校正,平台稳定,运输和钻井仪器。这些集成所取得的成功奠定了Colibrys公司在高分辨率倾角和倾斜传感市场的领导地位。