基于MAD2020E加速度的0°～360°傾角傳感器設計

摘要：介紹了基于MAD2020E型加速度計的0°～360°傾角傳感器的基本原理，并結合實(shí)際加速度傳感的特性，采用雙軸無(wú)溫度補償方法進(jìn)行了硬件和軟件的設計。實(shí)驗驗證該傾角加速度傳感器實(shí)現了外形小巧、精度高、智能化。
關(guān)鍵詞：加速度傳感器；傾角測量；無(wú)溫度補償；MAD2020E

1 引言
目前國內現場(chǎng)使用的傾角傳感器大多應用于系統水平測量。傾角傳感器從工作原理上可分為“同體擺”、“液體擺”、“氣體擺”、“加速度”4種方式。多數為偏重框架結構式的測角傳感器，其工藝精度低、可靠性差，而新的石英撓性加速度計雖測量精度高，但抗震性能差，易損壞。MEMSIC加速度計MAD2020E不僅外形小巧、精度高、而且耐沖擊較大，特別適合礦井、機車(chē)等測量?jì)A角條件較惡劣的場(chǎng)合。因此，這里提出一種基于MAD2020E加速度計0°～360°傾角傳感器設計方案。

2 測傾角工作原理
2．1 加速度計測傾角工作原理
加速度計通過(guò)感知重力加速度g在其測量軸上分量的大小確定物體的傾斜角度。當MEMSIC加速度計水平放置時(shí)(兩個(gè)靈敏軸與水平面平行)，它對位置或傾角變化最為敏感。而當垂直放置時(shí)(兩個(gè)靈敏軸與水平面垂直)，對于位置或傾角變化的敏感度將下降。圖1與圖2描述了MEMSIC加速度計從+90°～O°傾斜過(guò)程中X軸和y軸輸出值的相應變化。請注意當任意一軸(每?jì)A斜1°)的輸出變化較小時(shí)，則另一軸的輸出變化較大。利用這兩軸的變化特性相互彌補的原理設計精度較高的傾角傳感器。

為測傾斜角度，需要進(jìn)行計算，因為加速度計的輸出僅僅作用在感應軸上的重力加速度值。雙軸加速度計水平放置時(shí)的輸出和重力之間的關(guān)系：

式中，Ax和Ay代表加速度計的輸出，g是重力加速度，α和β是傾斜角度。為了計算傾斜角度，由反正弦方程：

2．2 MAD2020E型加速度計簡(jiǎn)介
MAD2020E型加速度計是基于單片COMS 工藝的一個(gè)完整的雙軸加速度測量系統，像其他加速度計有重力塊一樣，MEMSIC器件是以可移動(dòng)的熱對流小氣團作為重力塊。該器件通過(guò)測量由加速度引起的內部溫度的變化來(lái)測量加速度。MEMSIC傳感器中的質(zhì)量塊是氣體。MAD2020E型加速度計是通過(guò)測量溫度變化的原理確定加速度的裝置。MAD2020E型加速度計傳感器輸出信號是2個(gè)PWM(占空比)信號，當加速度計傳感器輸出 PWM信號時(shí)，PWM信號的占空比與加速度信號成比例。

3 無(wú)溫度補償雙軸0°～360°傾角傳感器設計
3．1 系統總體設計
在基于水平位置的傾斜角度不超過(guò)±60°的應用中，可使用一個(gè)雙軸加速度傳感器來(lái)測量?jì)奢S上的傾斜。當需要測量大于90°的傾斜角時(shí)，加速度計的X和Y軸相結合得到在360°范圍內較好的分辨率。這需要一個(gè)雙軸的加速度計傳感器來(lái)測量單軸傾斜角。圖3給
出一個(gè)基于垂直初始位置的加速度傾角計，豎角放置的單軸傾斜測量，±360°良好分辨率。

時(shí)，加速度和傾斜角之間的關(guān)系：

這里，(δ+γ)=90°，可容易得到δ或γ的值。因此，Ax也可寫(xiě)成：Ax=g?sin(-γ+90°)=g?cos(γ)。γ可通過(guò)反正切方程求得：γ=tan-1(Ax／Ay)。
除了提供更好的傾斜角分辨率外，垂直構架還提供兩個(gè)輸出誤差由Ay除以Ax相抵消。故執行這個(gè)轉換過(guò)程后，就不用對加速度計進(jìn)行溫度補償。因為熱電耦加速度傳感器的靈敏度具有可重復的溫度特性，兩軸的輸出變化幅度相同，所以靈敏度隨溫度的變化對比值的計算沒(méi)有影響。
無(wú)溫度補償雙軸傾角傳感器系統設計是基于以上原理，以PIC16F873單片機為核心的雙軸PWM輸入，并利用預先設置零點(diǎn)偏值的方法來(lái)補償零點(diǎn)溫度漂移的思想設計而成。其溫度補償雙軸傾角傳感器系統硬件原理圖如圖4所示。