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)

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學解算可以實現。

SCA100T傾角傳感器是由芬蘭VTI生產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。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公司生產的ADS7825[3]實現，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)傳感器產品動態(tài)性能和抗干擾性都比較好，比國外同類產品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.