[發明專利]一種組合敏感元件高精度傾斜角傳感器

有效

• 申請號: 201410361590.0
• 申請日: 2014-07-25
• 公開（公告）號: CN104165620B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 田躍;張波;孫明明;張一;裴屹杰;李杰;馬星橋;邱宏;翟穎;張珂;沈冰陽;曹子坤;韓婷婷;陳嘉卉
• 申請（專利權）人: 北京科技大學;北京天海科科技發展有限公司
• 主分類號: G01C9/00
• 分類號: G01C9/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司11237
• 代理人: 張仲波

技術領域

本發明涉及一種傾斜角傳感器，屬于傳感器領域，具體涉及一種采用不同量程或不同分辨率的多個敏感元件芯片通過空間位置組合，經過微處理器和電子電路模塊處理，實現高精度大量程傾斜角度測量的傳感器。

背景技術

隨著工業自動化檢測與精確控制需求的日益增加，在許多技術領域要求精準測量物體相對于水平面或垂直面的空間位置角度，即傾斜角度。比如：電力高壓線塔、無線通訊信號塔、風力發電機支撐桿、海上鉆井平臺、工程機械、煤礦機械、建筑物傾斜、雷達天線等測量，對于傾斜角傳感器的精度要求很高，一般需要達到角分級(′)或角秒級()。

傾斜角測量有很多種不同測量原理，如電解液水泡測量、熱浮氣流溫差測量、固體擺錘重力測量、磁敏感傾斜角測量、陀螺儀傾斜角測量、激光測距傾斜角測量等不同方法。目前最為常見的傾斜角傳感器是采用微電子機械系統(Micro-electro-mechanical?Systems，簡稱MEMS)工藝，利用測量加速度原理的集成敏感元件芯片，獲得被測物體與垂直于地面(水平面)的重力加速度方向相對空間夾角變化，實現對傾斜角度的測量。該種集成敏感元件芯片具有集成度高，經DSP系統處理，敏感元件與處理電路一體化設計，給定量程輸出信號進行標準化處理，比如：±15°±30°±90°輸出均對應模擬量0～5V電壓信號。顯然，量程越小，敏感元件芯片對應的分辨率越高。另外，重力加速度隨空間角度變化在水平位置的正負角度范圍內，滿足正弦曲線規律變化，即被測傾斜角度越大，偏離線性越嚴重，單位角度對應的分辨率也會急劇下降，嚴重影響測量精度。由此導致了大角度范圍難于實現高精度傾斜角度的測量。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明目的是為了解決現有技術當中由于被測傾斜角度過大，嚴重偏離線性，導致單位角度對應的分辨率急劇下降，嚴重影響測量精度，由此導致了大角度范圍難于實現高精度傾斜角度測量的問題。

一種組合敏感元件高精度傾斜角傳感器，如圖1所示。其特征在于：包括工裝模塊1、傳感器外殼2、敏感元件芯片3、信號處理電路模塊4、電源管理濾波電路5、微處理器(MCU)6、數字量輸出模塊7為基本組成；通過工裝模塊1的設計，將2個以上測量范圍小于±90°的70％以下的小量程集成傾斜角敏感元件芯片3(可以為2至36個)，依位置關系固定在工裝模塊1上；當工裝模塊隨傳感器外殼2轉動時，信號處理電路模塊4上的微處理器根據傳感器外殼2相對水平面傾斜角度的變化，采集相應的多個敏感元件芯片3的信號進行程序化處理，實現擴大整體傾斜角傳感器測量范圍的目的。電源管理和濾波電路5對傾斜角敏感元件芯片提供標準化穩定的供電電源，并對原始信號進行高頻濾波。通過多個集成敏感元件芯片依位置關系的組合，可以實現360°空間位置內高精度傾斜角度的測量。

信號處理電路模塊4上的數字量輸出模塊7將實時傾斜角度信息以二進制、十進制、十六進制、格雷碼數據格式通過SPI、SSI、RS-232、RS422、RS-485、CAN總線、LIN總線等通信方式發送輸出電信號。

工裝模塊1根據傾斜角敏感元件芯片3的分辨率、或滿足線性度精度要求，或滿足測量精度要求，相對水平零點位置的測量范圍為±θ角度；工裝模塊1的設計第一斜面與水平面夾角為根據“量程和精度”選用的敏感元件芯片全量程的一半，α＝θ角；工裝模塊的第二斜面與水平面的夾角β＝3×θ；采用三個敏感元件芯片，第三個斜面與水平面的夾角γ＝5×θ，依次類推，第N個斜面與水平面的夾角(2N-1)×θ；當傾斜角傳感器按指定方向轉動時，多個小量程高分辨率敏感元件依次進入測量量程，微處理器對各個敏感元件測量的各自區間及分界點進行標定，線性度較準，溫度補償處理，經后續處理電路對角度信號進行標準化。

信號處理電路模塊4上如果增加LED，LCD，OLED，彩色液晶顯示模塊8等，可以構成帶讀數顯示的高精度傾斜角傳感器。

信號處理電路模塊4上如果增加繼電器及驅動電路模塊9，將微處理器6處理后的數字信號，增加上下限報警邏輯判斷，電路中設置1～4個繼電器或數字開關電路，能實現超限報警功能。

信號處理電路模塊4上如果增加DAC轉換電路10，可以將數字信號轉換為0～5V、0～10V、±5V、±10V、4～20mA，0～20mA等模擬信號輸出。

所述信號處理電路模塊4上如果增加無線發射模塊11，可以將實時傾斜角信息以無線形式發送至接收單元，構成具有無線通訊功能的高精度傾斜角傳感器。

將兩個工裝模塊1垂直放置，可以實現二維X-Y平面兩個方向大量程高精度的測量。