倾角传感器

  实验仪器 ·  2013-07-12 23:18  ·  12845 次点击
倾角传感器是用来测量物体相对海平面的角度,它到现在已经有100多年的历史了。目前倾角传感器的精度已经可以做到相当精准,应用范围涵盖多种行业,国内也有不少厂家从事倾角传感器的研制。只要读者细心发现,你还会看见很多厂家对数倾角传感器精度的描述,显得含糊不清或者存在一定的偏差,比如将倾角传感器的非线性作为传感器的测量精度,这就很能说明问题了。
要确定倾角传感器的精度,我们首先得知道影响倾角传感器的测量精度的因素有哪些,下面跟大家一起来探讨一下。
以加速度原理的倾角传感器为例。它是测量重力加速度在加速度传感器敏感轴上的分量转换成角度数据,即倾角值与加速度值成正弦关系。从这个角度上理解,只有具有DC响应的加速度计才能测量倾斜角度。实质上,倾角传感器具有加速度计的属性,因此研究加速度测量过程中产生的误差来源,就可以确定倾角传感器的误差来源。
影响加速度计的测量精度因素主要有:灵敏度误差、零点偏置、非线性、横轴误差、频率响应、输入轴非对准性、重复测量精度、垂直轴非对准性、温度对零点和灵敏度的影响、噪声与噪声密度等。
不难发现,重复测量精度难于补偿,取决于核心敏感器件的自身特性;温度曲线的重复性也取决于核心敏感器件的自身特性,难以通过补偿来提高;灵敏度误差也取决于核心敏感器件的自身特性,但同时与频率响应关联;噪声与噪声密度可以通过后续电路进行硬件滤波或软件滤波等方式降低;由于用来作为倾角传感器的加速度计的频率响应一般在30Hz左右,经过实际的测试,对灵敏度的影响很小,可以忽略不计。
由此可见,作为倾角传感器的核心敏感部件的加速度计,其横轴误差、输入轴非对准性、垂直轴非对准性、非线性需要计入到倾角测量的误差因素内。而不能仅对非线性进行补偿,而作为倾角传感器的测量精度。
横轴误差是指当传感器在垂直于其灵敏轴方向施加一定的加速度或者倾斜一定的角度时耦合到传感器的输出信号上所产生的误差。如对于测量范围为±30°的单轴(假定X方向为倾角测量方向)倾角传感器,在空间垂直于X方向发生10°的倾斜时(此时实际被测量的X方向的倾斜角度保持不变,如为+8.505°),传感器的输出信号会因为这个10°的倾斜而产生额外误差,这个误差称为横轴误差。这个额外的误差因不同的产品而定。当倾角传感器懂得横轴误差为3%FS,产生的额外误差为3%×30°=0.9°,而传感器实际输出的角度简单估算为9.415°(=8.505°+0.9°)。此时,即使倾角传感器的非线性误差达到0.001°,相对横轴误差而言,这个非线性误差可以忽略不计,也就是说,作为倾角传感器的测量精度,不能不将横轴误差计算在内,否则将引起很大的测量错误。
允许输入轴不重合度是指传感器在实际安装过程中,允许传感器的水平(Z方向)安装偏差,该指标实际包含了输入轴非对准性、垂直轴非对准性两个方面的误差。一般地,倾角传感器在安装时要求倾斜方向与传感器的指定边沿保持平行或者重合,该指标表示可以允许有一定的安装角度偏差而不影响传感器的测量精度。当倾角传感器自身的灵敏轴与实际的倾斜方向不重合时,随倾斜的角度增大,产生的额外误差呈正弦变化。实际测试表明,当倾角传感器自身的灵敏轴与实际的倾斜方向的夹角超过3°,对于±30°量程±0.01°线性误差的倾角传感器,所产生的额外误差会达到±0.3~0.5°,也远大于非线性误差。
因此,对于倾角传感器而言,其常温测量精度是非线性、重复性、迟滞、零点偏置以及横轴误差的合成,其他工作原理的倾角传感器也应该按照同样的误差计算方法来确定其精度指标,而不能仅将非线性作为精度。
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