汪雪蓮

(第七一五研究所，杭州，310023)

基于SCA100T傾角傳感器的姿態(tài)傳感器設計

汪雪蓮

(第七一五研究所，杭州，310023)

分析了傾角傳感器的工作原理，描述了SCA100T系列傾角傳感器的性能特征，并介紹了全方位低擺幅、單方向全擺幅傾角傳感器的設計方法。

傳感器；傾角測量；全方位低擺幅；單方向全擺幅

傾角傳感器用來測量相對水平面的傾角變化量，理論基礎是牛頓第二定律。目前就傾角傳感器產(chǎn)品而言，一般是單軸或雙軸，最大測量擺幅范圍都在±90°之內，僅能提供單軸或雙向軸向的傾角測量。但在實際應用中，有些場合需要實現(xiàn)對工作臺面360°但傾角范圍很小的傾角測量，即低擺幅全方位傾角測量：例如，海上石油鉆井平臺、吊放聲納水下聲基陣等水上移動或浮動平臺的姿態(tài)監(jiān)測。另外，有些場合還需要進行單方向360°的姿態(tài)測量，即實現(xiàn)單方向全擺幅姿態(tài)監(jiān)控：例如，太陽能感光板向光控制、拖曳線陣陣形監(jiān)測等，都需要大幅度角度監(jiān)測。本文介紹了采用雙軸擺幅范圍在±90°的傾角傳感器SCA100T實現(xiàn)測量全方位低擺幅和單方向全擺幅（±180°）姿態(tài)傳感器的設計方法。

1 傾角測量原理

傾角傳感器按工作原理可以分為固擺式、液擺式、氣擺式三種。固擺式傾角傳感器敏感物質是擺錘的質量，由于具有明確的擺長和擺心，其產(chǎn)品的精度和抗過載能力較高，但體積大，因此使用受到一定限制。氣擺式傾角傳感器內，氣體是密封腔中唯一運動體，它的質量小，在大的沖擊和高過載時產(chǎn)生的慣性也小，所以具有較強的抗振動或沖擊的能力，但氣體運動控制較為復雜，影響因素比較多，因此精度不高。液擺式傾角傳感器介于兩者之間且系統(tǒng)穩(wěn)定，在高精度系統(tǒng)中廣泛應用，國內外的產(chǎn)品多為此類。

對于單軸傾角傳感器，如果傳感器方向和重力加速度方向垂直時傾角為0°，與重力加速度方向重合時傾角為90°，其他方向傾斜角為θ，位置變換如圖1。設傳感器測量結果為F（θ），則：

傳感器方向和重力加速度方向重合時傾角為0°，與重力加速度方向垂直時為90°，再將它傾斜θ角，位置變換如圖2。

圖2 傾角傳感器位置示意圖

則：

式(1)、 (2)中θ角為傾斜角，g為重力加速度，Hm傳感器輸出靈敏度。

圖1傾斜角度小時精度高，當傾角接近90°時，分辨率低、精度不高；而圖2中傾角接近90°時，精度高，當傾斜角度小時，分辨率低、精度不高。

單軸傳感器只能測量一個方向最大±90°范圍的傾角，而且在0°或90°時誤差增大。如需高精度、多方位、全擺幅的測量，必須用到雙軸或三軸傾角傳感器。

2 SCA100T傾角傳感器簡介[1]

單軸或雙軸傾角傳感器不能直接實現(xiàn)全方位低擺幅和單方向全擺幅姿態(tài)監(jiān)控需求，但雙軸傾角傳感器按合適位置安裝和數(shù)學解算可以實現(xiàn)。

SCA100T傾角傳感器是由芬蘭VTI生產(chǎn)的雙軸傾角傳感器系列，屬于固擺式傾角傳感器，具有固擺式的所有優(yōu)點。主要技術參數(shù)如下：防沖擊性能好，能承受超過20 000 g的沖擊；內部增加機械阻尼設計，吸收高頻振動；實現(xiàn)全溫度補償；采用微機電（MEMS）技術，體積小。

如果傾角傳感器水平安裝，傾角的計算公式為：

式中Uout為輸出電壓，offset為輸出直流偏置，約為2.5 V，sensitivity表示傳感器輸出靈敏度，SCA100T-DO1（±30°）為4 V/g， SCA100T-DO2（±90°）為2 V/g 。

2.1 全方位低擺幅姿態(tài)傳感器

全方位低擺幅姿態(tài)傳感器通過將SCA100T雙軸傾角傳感器水平安裝在測量平面上，通過對測量角幾何換算實現(xiàn)。雙軸傾角傳感器水平安裝如圖3示。

圖3 全方位姿態(tài)測量傳感器示意圖

如圖3，在任意角度為軸（V軸）傾斜θ角的狀態(tài)下X軸和Y軸輸出量分別為ux和uy，二者的合成矢量為Uv則：

由（1）可得：

式（5）中g是以重力作為參考的加速度值；2 V /g是SCA100T傳感器的靈敏度。

2.2 單方向全擺幅姿態(tài)傳感器設計

將雙軸傾角傳感器SCA100T垂直安裝在測量平面上，在X軸向上以Y軸為旋轉軸進行全擺幅（± 180°）的傾角測量，示意圖如圖4。圖中，X軸傾斜θ角的狀態(tài)下X軸和Y軸輸出量分別為ux和uy，則：

（1）當?90°＜θ＜90°即uy＞0時

（2）當ux≥0，uy=0時：θ=90°

（3）當ux＜0，uy=0時：θ=?90°

（4）當90°＜θ＜180°，即uy＜0，ux≥0時：

（5）當?180°＜θ＜?90°，即uy＜0，ux＜0時：

圖4 單方向全擺幅傾角測量示意圖

3 電路實現(xiàn)方法

姿態(tài)傳感器電路主要包括誤差修正放大電路、A/D變換與信號處理電路、輸出接口等組成，組成框圖如圖5。

圖5 姿態(tài)傳感器電路組成框圖

3.1 誤差修正放大電路

誤差修正放大電路主要功能是消除零點誤差并根據(jù)電路的供電電壓對傳感器的靈敏度適當放大，最大可能提高電路輸出電壓增加電路的抗干擾性。同時放大電路可通過微調放大量，調整傳感器兩軸輸出靈敏度不一致帶來的誤差。

傾角傳感器輸出的信號是慢變化的直流信號，因此放大器應該是直流放大器，其核心是低零點漂移和小增益誤差。為保證電路的性能，采用BB公司的INA118，其具有低零點漂移、增益穩(wěn)定性好等優(yōu)點，經(jīng)常用于精密儀器電路和測控電路中。主要性能指標[2]：低零點漂移電壓：最大50 μV；低溫度漂移：最大0.5 μV/℃；低輸入偏置電流：最大5 nA；高共模抑制比：最小110 dB；寬范圍供電：± 1.35 V～±18 V；高增益穩(wěn)定性：G=100時，誤差小于±0.5%。

SCA100T-DO2（±90°）雙軸傾角傳感器直流輸出范圍在0～4.5 V，偏置電壓約為2.5 V。由于加工或供電等原因，每一片的輸出偏置電壓、輸出靈敏度存在差異，影響到姿態(tài)測量精度，誤差放大電路可以精確消除這部分誤差，原理圖如圖6。

圖6 誤差放大電路原理圖

放大電阻RG可以根據(jù)電路需要設定直流放大器的輸出范圍，設計中最大輸入范圍由A/D變換的最大值決定。這樣能最有效利用A/D電路的動態(tài)范圍，最大程度的提高電路的抗干擾性。Rt1可以微調直流放大電路的增益，能將兩路傾角傳感器的輸出靈敏度調整到同一值，減少由此帶來的誤差。零點修正電路通過精確調整儀用差分放大器的負端相減電壓，使傾角傳感器敏感軸水平時輸出直流電壓為零，即不僅將傾角傳感器的直流偏置電壓調零，也消除了由偏置電壓不一致引起的誤差。

設計中，為保證電路的可靠性和穩(wěn)定性，增益調整電路按90%固定增益，10%可調整來設計。

3.2 A/D變換與信號處理電路

A/D變換與信號處理電路主要是將誤差放大器輸出的直流信號進行A/D變換采集并進行角度解算，輸出姿態(tài)角信息。A/D變換用Burr-Brown公司生產(chǎn)的ADS7825[3]實現(xiàn)，角度解算選用TI 2000系列的TMS320F2812完成。

AD變換電路采用ADS7825是因為具有極寬的輸入范圍。在單電源+5 V供電情況下，支持雙極性輸入，最大輸入范圍達到±10 V。考慮到電源供電電壓和線性安全范圍，姿態(tài)傳感器誤差放大電路增益設定為2倍，輸出范圍為±4 V，有效地提高了傳感器電路的穩(wěn)定性和抗干擾性。

4 試驗測試結果

經(jīng)實際測試全方位低擺幅姿態(tài)傳感器在360°水平任意方向上，傾斜擺幅在30°～?30°范圍內精度為0.25°；單方向全擺幅姿態(tài)傳感器在測試軸向方向上傾角?180°～180°范圍內測試精度為0.2°，具體誤差分布見圖7和圖8。

圖7 全方位低擺幅姿態(tài)傳感器誤差分布圖

圖8 單方向全擺幅姿態(tài)傳感器誤差分布圖

試驗和實際使用證明本設計的姿態(tài)傳感器產(chǎn)品動態(tài)性能和抗干擾性都比較好，比國外同類產(chǎn)品3DM-DH有更高的可靠性和抗干擾性。

[1]Lamshine Technologiea,Inc.SCA100T datasheet[Z].2006.

[2]Burr-Brown Corporation.INA118 datasheet[Z].1994.

[3]Burr-Brown Corporation.ADS7825 datasheet[Z].1996.