基于傾角傳感器的傾角測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
加入技術(shù)交流群
目前，業(yè)內(nèi)對(duì)傾角的測量多是基于MEMS的加速度傳感器，SCA100T是由芬蘭VTI公司推出，采用三維MEMS技術(shù)開發(fā)的一款高精度雙軸傾角傳感器，可同時(shí)測量相對(duì)于水平面的傾斜和俯仰角度，具有溫度補(bǔ)償功能。本文以塔式起重機(jī)為應(yīng)用背景，采用SCA100T傾角傳感器實(shí)時(shí)采集傾斜信息，檢測塔式起重機(jī)支撐架的平衡性能，避免由于其過度傾斜而引發(fā)事故。以SCA100T為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一款小巧、靈敏度高的傾角測量系統(tǒng)，分析了SCA100T傾角傳感器測角的原理，給出了系統(tǒng)各個(gè)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)方法，同時(shí)提供了兩種具有可擴(kuò)展性的應(yīng)用方法。
1 整體設(shè)計(jì)
圖1所示為本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)采用ATmega8單片機(jī)控制SCA100T傾角傳感器實(shí)時(shí)檢測平臺(tái)的傾角變化，將傳感器輸出的數(shù)字量進(jìn)行換算后，轉(zhuǎn)換為實(shí)際的傾角值。用戶可以根據(jù)需要設(shè)置警界傾角值和預(yù)定平臺(tái)水平位置，傾角信息可通過LCD實(shí)時(shí)顯示或通過串口輸出到上層控制器中。當(dāng)傾角信息超過預(yù)置的警界傾角值時(shí)，系統(tǒng)開始報(bào)警，表現(xiàn)為蜂鳴器報(bào)警和LED燈閃爍。
系統(tǒng)根據(jù)輸出方式的不同分為兩種應(yīng)用方式：一種是作為獨(dú)立系統(tǒng)使用，固定在待測平臺(tái)上；另一種是將該系統(tǒng)作為一個(gè)傾角采集模塊，掛接在其他電路中使用。前者采用LCD1602實(shí)時(shí)顯示傾角信息，采用串口超級(jí)終端預(yù)設(shè)傾角警界值和水平位置；后者通過串口輸出傾角信息，允許軟件編程通過發(fā)送串口命令進(jìn)行配置。配置信息均保存在ATmega8單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM中。
2 傾角測量原理
本文選用的SCA100T的測量范圍為±30°，其內(nèi)部包含硅電容感應(yīng)元件、EEPROM存儲(chǔ)器、信號(hào)調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器和SPI傳輸接口等，SCA100T功能框圖如圖2所示。該傳感器具有X、Y兩個(gè)通道，分別用來測量傾斜和俯仰的加速度，每個(gè)通道具有自測試系統(tǒng)，可內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)靜電力來校驗(yàn)全部的信號(hào)通道。信號(hào)輸出有SPI數(shù)字信號(hào)輸出和模擬電壓信號(hào)輸出兩種方式，同時(shí)可輸出溫度信息進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
SCA100T的測角原理為：通過測量靜態(tài)重力加速度的變化，將其轉(zhuǎn)換成傾角變化。SCA100T的硅電容感應(yīng)元件由3層硅片構(gòu)成，形成立體結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生傾斜時(shí)，中間質(zhì)量片會(huì)傾向某一側(cè)，從而使兩側(cè)的電容發(fā)生變化。通過電壓值可反映相應(yīng)的加速度值，進(jìn)而可計(jì)算角度值。圖3所示分別為X軸與Y軸的傾角變化情況(X／Y是從傾斜方向來劃分的)，以X軸為例，其加速度值與重力加速度之間的關(guān)系為：
Ax=g·sina→α=arcsin(Ax／g)
其中，Ax表示X軸測出的加速度值，g表示重力加速度值，α為X軸傾角。
評(píng)論