基于三轴重力加速度的倾斜角传感器幻灯片资料.ppt

倾斜角传感器在汽车上的应用*概要1、倾斜角传感器的定义及说明2、倾角传感器简介3、倾斜角传感器的应用4、倾角传感器发展趋势与产品现状5、介绍三种常见的传感器6、倾斜角传感器设计实例7、参考文献*1.倾斜角传感器的定义倾角传感器可以用来测量相对于水平面的倾角变化量理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器2.1 固体摆式倾角传感器固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，如图1所示，其由摆锤、摆线、支架组成，摆锤受重力G和摆拉力T的作用，其合外力F为：式中的为摆线与垂直方向的夹角在小角度范围内测量时，可以认为F与成线性关系如应变式倾角传感器就是基于此原理2.2 液体摆式倾角传感器液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三根电极相互平行且间距相等，如图2所示当壳体水平时，电极插入导电液的深度相同如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻RI3所示，左边电极浸入深度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻RI减少，即RIRIII。

反之，若倾斜方向相反，则RIRIII增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻RIII和RIII若液体摆水平时，则RIRIII当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三根电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变2.2 液体摆式倾角传感器在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化在实用中除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆”2.3 气体摆式倾角传感器气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一样，热气流总是力图保持在铅垂方向上，因此也具有摆的特性气体摆”式惯性元件由密闭腔体、气体和热线组成当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体受到加速度的作用时，热线的阻值发生变化，并且热线阻值的变化是角度q或加速度的函数，因而也具有摆的效应其中热线阻值的变化是气体与热线之间的能量交换引起的2.3 气体摆式倾角传感器气体摆式检测器件的核心敏感元件为热线电流流过热线，热线产生热量，使热线保持一定的温度热线的温度高于它周围气体的温度，动能增加，所以气体向上流动。

在平衡状态时如图4(a)所示，热线处于同一水平面上，上升气流穿过它们的速度相同，即V7）可知，流过热线的电流也相同，电桥平衡当密闭腔体倾斜时，热线相对水平面的高度发生了变化，如图4(b)所示，因为密闭腔体中气体的流动是连续的，所以热气流在向上运动的过程中，依次经过下部和上部的热线若忽略气体上升过程中克服重力的能量损失，则穿过上部热线的气流已经与下部热线的产生热交换，使穿过两根热线时的气流速度不同，这时VV2，因此流过两根热线的电流也会发生相应的变化，所以电桥失去平衡，输出一个电信号倾斜角度不同，输出的电信号也不同2.4 固、液、气体摆性能比较 就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言，它们各有所长在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的敏感质量是气体气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力但气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的要求固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，在武器系统中应用也较为广泛。

液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外产品多为此类3.倾斜角传感器的应用高层建筑安全监测目前世界上摩天大楼越来越多，为了监测大楼的安全性能，可以应用SSA03系列高精度倾角传感器，该系列倾角传感器可以感应微小角度的变化，可以用于大楼摆幅、震动、倾斜等监测汽车四轮定位随着电子技术的发展和应用，汽车的安全性、舒适性和智能性越来越高汽车侧向倾斜角度传感器的应用是防止汽车在行驶中发生倾翻事过的一种有效方法是提高汽车安全性的重要措施，特别是越野车双层客车等重心较高的汽车更有必要性汽车倾翻的实质是：行驶中向外的倾翻力矩大于向里的稳定力矩，当重心高度一定时，倾斜力矩油倾翻力（向外的侧向力）决定轨检仪目前的轨道测量方式智能程度差,测量精度低,操作时间长,迫切需要设计一种适用于一般工务段使用的便携式智能化轨道检测仪倾角传感器用于轨检仪，用于实时检测铁道的倾斜度和高度差输电线铁塔倾斜智能监测输电线铁塔的倒塌事件时有发生，一旦发生倒塌，将会造成巨大的损失，倾角传感器应用于输电线铁塔倾斜角度监测，可以实时监测输电线倾斜角度，一旦因为大风等自然灾害导致倾斜角度过大，实时发出预警信号，由工作人员维修减少损失。

大坝安全监测大坝垮塌事故已经发生过，为了及时发出预警信号，减少财产损失，通过倾角传感器的监测、观测仪器和设备，以及时取得反映大坝和基岩性态变化以及环境对大坝作用的各种数据的观测和资料处理等工作其目的是分析估计大坝的安全程度，以便及时采取措施，设法保证大坝安全运行倾角传感器其他应用地理:山体滑坡，雪崩民用:大坝，建筑，桥梁，玩具，报警，运输工业：吊车，吊架，收割机，起重机，称重系统的倾斜补偿，沥青机铺路机、摊铺机等火车：高速列车转向架和客车车厢的倾斜测量海事：纵倾和横滚控制，油轮控制，天线位置控制、帆船姿态校准钻井：精确钻井倾斜控制机械：倾斜控制，大型机械对准控制，弯曲控制，起重机高校：机器人姿态控制，各种科研项目竞赛：机器人竞赛、电子设计竞赛、挑战杯竞赛等各种竞赛典型应用：汽车四轮定位仪、铁道轨距尺、水库大坝安全监测用倾斜仪、机器人控制4. 倾角传感器发展趋势与产品现状:目前生产倾角传感器的厂商较少，但就产品而言，单轴倾角传感器居多，且分辨率较高就国内产品而言，传感器与电路集成较少，且大多只提供模拟量输出就传感器发展状况而言，从收集资料看，北京信息工程学院的产品在小型化及产品精度等指标方面较领先，如膜电位倾角传感器。

就网络查询反馈看，产品主要集中在欧美几家大公司，在国内普遍应用较广的有如芬兰的VTI公司、德国的西门子公司、英国Clino公司、美国的CrossBowTechnology公司、Atmos工程公司、Fredericks公司以及美国数字公司就国外产品种类而言，其数量也较少，但从数字化、小型化、精度、重量、使用温度范围及线性度等指标而言，具有较高的实用价值如LS系列产品分辨率可达到1.8，英国Clino公司SP系列产品高度只有22rnm，特殊的可达到16mm，可用于一些特殊场合CrossBow公司CXTA、美国数子公司A2产品均属于数字产品，可以通过接口板直接与计算机相连同时在查阅的过程中可以看出，加速度传感器由于其动态性能好，精度高，因此在倾角测量中也得到广泛的应用5.介绍三种常见的传感器MEMS高精度单轴倾角传感器SCA103T-D055.1 MEMS高精度单轴倾角传感器SCA103T-D05产品介绍：高精度单轴倾角传感器SCA103T-D05是基于3DMEMS的高精度单轴倾角传感器，它提供了水平测量仪表级别的性能传感器的传感元件在测量时需要与测量平台保持平行，并且传感器双轴需相互垂直低温度依赖性、高分辨率、低噪声和健全的传感元件设计让SCA103T-D05倾角传感器成为水平测量仪器的不二选择。

VTI的倾角传感器对于振动不灵敏，因为他们都在传感元件内部增加了阻尼，并且能承受高达20，000g的机械冲击力5.1 MEMS高精度单轴倾角传感器SCA103T-D05详细参数：型号：SCA103T-D05轴数：1轴带宽：828Hz灵敏度：8V/g，3277LSB/g温漂：0.002/量程：0.5g输出方式：SPI，模拟供电电源：4.75V5.25V功耗：5mAmax5.1 MEMS高精度单轴倾角传感器SCA103T-D05SCA103T-D05优势特点：最高精度的MEMS单轴倾角传感器全温区、长期保持高稳定性Ug级别的分辨率能遭受超过20，000g的冲击传感器元件做了机械阻尼设计，可忽略掉振动的影响多种方式的自我诊断设计，方便工程调试设计非常容易使用使用标准的双排针塑料表贴封装不需要编程，不需要进行再校正内部增加温度补偿传感器仅需一个5V直流供电同时具有模拟和数字输出（SPI）接口5.1 MEMS高精度单轴倾角传感器SCA103T-D05SCA103T-D05应用范围:平台水准测量与稳定水准仪器旋转激光仪施工水准设备5.2 BOSCH数字式三轴加速度传感器BMA250产品介绍：BoschSensortec的BMA250是为电子消费市场设计的一款数字输出的低功耗三轴加速度传感器，BMA250加速度传感器2mmX2mm的小型封装和数字接口使其满足众多消费电子制造商的需求，尤其是在便携式手持设备上。

BMA250加速度传感器具有从2g到16g四个可编程的测量范围，提供应用程序设计者更多的开发弹性，较高的测量精度，其十位的数据可提供最高精确度小于4mg5.2 BOSCH数字式三轴加速度传感器BMA250详细参数:型号：BMA250轴数：三轴带宽：8Hz1000Hz灵敏度：32LBS/g256LBS/g温漂：0.5量程：2g16g输出方式：SPI，I2C供电电源：1.2V3.6V功耗：139uA5.2 BOSCH数字式三轴加速度传感器BMA250优势特点:2mmX2mmX0.95mm的小尺寸四个可选量程2g,4g,8g,16g低功耗139uA1.2V3.6v供电电压数字I2C和SPI接口R0HS保护5.3 VTI三轴加速度传感器SCA3000-D1产品介绍 VTISCA3000-D1是基于VTI的3D-MEMS电容传感器技术的高精度三轴数字加速度传感器SCA3000-D1由三个高精度微电机加速度传感元件和一个灵活的SPI数字接口组成传感器的双排引脚封装保证在SCA3000-D1整个生命周期安全可靠的工作VTISCA3000-D1三轴加速度传感器在整个设计、生产和测试阶段都是以高稳定性、高可靠性、高质量来要求的，它的目标市场是汽车应用。

这个三轴加速度传感器在工作范围内具有极期稳定的输出（包括全温区，湿度和机械噪声环境下）5.3 VTI三轴加速度传感器SCA3000-D1详细参数：电源电压：2.35v3.6v量程：2g输出方式：SPI数字串口通信（64组缓冲存储器记录数据，在系统一级上面，有先进的性能和有效节能方式能耗:2.5v,480uAMAX尺寸：771.8mm5.3 VTI三轴加速度传感器SCA3000-D1优势特点：1.VTi的SCA3000三轴加速度传感器开创了传感器技术的新标准SCA3000能耗非常低，性能高，开发简单，易于集成到各种应用当中去2.SCA3000-D01和D02在一些利用电池运行的环境当中有成功的应用应用包括各种终端的运动检测，报警系统，以及导航补偿和倾斜测量3.SCA3000E01，E02，E04，E05是超低功耗的查破这对于手持设备有相当的便利相关的应用包括计步器，体育运动当中的监测器，游戏的输出设备，以及电子罗盘的倾斜补偿5.3 VTI三轴加速度传感器SCA3000-D1应用范围：1.移动终端的运动检测和防盗系统，医疗系统2.惯性导航，各种需要运动检测的系统数字倾角仪中的倾斜感应3.电子罗盘中的倾角补偿6. 倾斜角传感器设计实例对于轴加速度传感器,当它的传感方向和重力加速度方向一致时,假如此时为零倾斜角度,设加速度传感器测量结果为F(),为倾斜角度,g为重力加速度对F求导当时，所以当倾斜角太小时,测量的分辨率就会太小,当角度足够大时精度。