基于MEMS加速度传感器的双轴倾角计及其应用
倾角传感器原理与应用介绍
倾角传感器原理与应用介绍2011-10-10 8:43倾角传感器经常用于系统的水平测量，如工程车辆调平，和高空平台安全保护，定向卫星通讯天线的俯仰角测量，船舶航行姿态测量，盾构顶管应用，大坝检测，地质设备倾斜监测，火炮炮管初射角度测量，雷达车辆平台检测，卫星通讯车姿态检测。
倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。
从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，还有利用加速度传感器测量倾角。
倾角传感器分为单轴，双轴，单轴只能测一个方向上的倾角，双轴能同时测两个方向上的倾角。
一、“固体摆”式惯性器件固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，如图1所示，其由摆锤、摆线、支架组成，摆锤受重力G和摆拉力T的作用，θ为摆线与垂直方向的夹角。
在小角度范围内测量时，可以认为F与θ成线性关系。
如应变式倾角传感器就基于此原理。
二、“液体摆”式惯性器件液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三根电极相互平行且间距相等，如图2所示。
当壳体水平时，电极插入导电液的深度相同。
如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻RI和RIII。
若液体摆水平时，则RI＝RIII。
当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三根电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。
如图3所示，左边电极浸入深度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻RI增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻RIII 减少，即RI＞RIII。
反之，若倾斜方向相反，则RI＜RIII。
在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。
在实用中除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆”。
三、“气体摆”式惯性器件气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一样，热气流总是力图保持在铅垂方向上，因此也具有摆的特性。
工程倾角传感器解决方案
工程倾角传感器解决方案引言工程倾角传感器是一种用于测量物体相对于地面的倾斜角度的传感器。
它可以帮助工程师和技术人员在建筑、道路建设、机械设备等领域准确地测量倾斜角度。
本文将介绍工程倾角传感器的工作原理、应用领域、解决方案等内容。
工程倾角传感器的工作原理工程倾角传感器主要基于MEMS技术（微机电系统技术）或倾角传感器芯片来实现。
该传感器能够通过内部的倾斜角度检测装置，测量物体相对于地面的倾斜角度。
倾角传感器主要由加速度计、陀螺仪和磁罗盘等部件组成，它们能够对三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场进行监测，并通过算法计算出物体的倾斜角度。
工程倾角传感器的应用领域工程倾角传感器主要应用于以下几个领域：1. 建筑工程：在建筑工程中，工程倾角传感器可以用于测量墙体、地面、天花板等部件的倾斜角度，以确保建筑物的结构和平衡性。
2. 机械设备：在机械设备领域，工程倾角传感器可以用于测量各种设备的倾斜角度，如吊车、挖掘机、铲车等，以确保其工作平稳、安全。
3. 道路建设：在道路建设中，工程倾角传感器可以用于测量路面的倾斜角度，以确保道路平整度和排水系统的设计。
4. 水利工程：在水利工程中，工程倾角传感器可以用于监测水坝、堤坝等水利设施的倾斜情况，以预防地质灾害。
工程倾角传感器的解决方案工程倾角传感器的解决方案主要包括传感器选型、安装调试、数据采集分析等环节。
1. 传感器选型选择合适的工程倾角传感器对于确保测量精度至关重要。
工程师需要根据测量的精度要求、工作环境、通信协议等因素选取合适的传感器型号。
常见的工程倾角传感器有MEMS倾斜传感器、倾角测量仪、倾角传感器模块等，其测量精度一般可达0.1度至0.01度。
2. 安装调试工程倾角传感器的安装位置和安装角度对测量结果具有重要影响。
在安装时，需要确保传感器与被测物体平面垂直安装，并调试传感器的零位和灵敏度，以及校准传感器的零点漂移。
3. 数据采集分析工程倾角传感器通常具有模拟输出、数字输出或模拟数字混合输出等多种输出方式。
双轴倾角传感器的工作原理
双轴倾角传感器的工作原理双轴倾角传感器是一种用于测量物体在水平和垂直方向上的倾斜角度的装置。
它通常由两个单轴倾角传感器组成，分别测量物体相对于水平和垂直方向的倾斜角度，并将结果合并以提供更准确的测量结果。
单轴倾角传感器在了解双轴倾角传感器之前，首先需要了解单轴倾角传感器的工作原理。
单轴倾角传感器通过利用重力和加速度计原理来测量物体相对于水平方向的倾斜角度。
单轴倾角传感器通常包含一个加速度计和一个微机电系统（MEMS）芯片。
加速度计是一种能够测量物体加速度的装置，而MEMS芯片则是一种集成了多个微小机械元件的芯片。
当物体处于静止状态时，加速度计会受到重力的作用，产生一个与重力大小相等但方向相反的加速度。
这个加速度会被加速度计测量并转换为电信号。
MEMS芯片中包含微小机械元件，这些元件可以根据测得的电信号来确定物体相对于水平方向的倾斜角度。
一种常见的设计是利用微小弹簧和质量块组成一个振动系统，通过测量振动频率的变化来计算倾斜角度。
双轴倾角传感器双轴倾角传感器在单轴倾角传感器的基础上进行了扩展，它包含两个单轴倾角传感器，分别用于测量物体相对于水平和垂直方向的倾斜角度。
双轴倾角传感器通常采用一个三维加速度计和一个三维陀螺仪来实现。
加速度计仍然负责测量重力加速度，并通过MEMS芯片将其转换为电信号。
而陀螺仪则可用于测量物体的旋转速度。
在双轴倾角传感器中，两个单轴倾角传感器分别与水平和垂直方向对齐。
通过将两个单轴传感器的测量结果合并，可以得到物体相对于水平和垂直方向的综合倾斜角度。
具体而言，当物体同时发生旋转和倾斜时，陀螺仪可以提供旋转角速度的测量结果，而加速度计则可以提供倾斜角度的测量结果。
通过将这两个结果进行合并，就可以得到物体在水平和垂直方向上的综合倾斜角度。
双轴倾角传感器通常还包含一个微处理器，用于处理和计算传感器的测量结果。
微处理器可以根据传感器提供的数据来计算出物体在水平和垂直方向上的实际倾斜角度，并将结果输出给用户。
双轴倾角传感器原理
双轴倾角传感器原理
双轴倾角传感器是一种用于测量物体在平面内的倾斜角度的设备。
其原理基于两个轴线相互垂直，分别测量物体在水平和垂直方向上的倾斜角度。
这种传感器通常由两个加速度计组成，一个测量水平方向上的加速度，另一个则测量垂直方向上的加速度。
在使用双轴倾角传感器时，需要将其安装在需要测量的物体上，并通过电路将其与计算机或其他设备连接起来。
当物体发生倾斜时，传感器会检测到加速度变化，并将数据发送至计算机进行处理。
通过对这些数据进行分析和处理，便可以得出物体在平面内的倾斜角度。
双轴倾角传感器广泛应用于各种领域，如建筑、机械、航空航天等。
例如，在建筑领域中，它可以用于监测建筑物的地基沉降情况、墙壁和屋顶的变形情况等；而在机械领域中，则可以用于监测机器运行时的振动情况、工件加工时的精度等。
总之，双轴倾角传感器是一种非常实用的测量设备，其原理简单而有效，应用范围广泛。
随着科技的不断发展，相信它的应用将会越来越广泛，为各行各业带来更多便利和效益。
mems 计算倾角
mems 计算倾角用MEMS计算倾角MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种微型电子机械系统，通常由微型传感器、微处理器和微机械组件组成。
在工程和科学领域，MEMS被广泛应用于测量和控制应用中。
其中一个常见的应用是测量物体的倾角或倾斜度。
本文将介绍如何使用MEMS 计算倾角，并探讨一些相关的技术和应用。
我们需要了解MEMS传感器的工作原理。
MEMS传感器通常基于微机械系统的变形或位移来测量物体的倾角。
常见的MEMS传感器包括加速度计和陀螺仪。
加速度计用于测量物体的线性加速度和倾斜度，而陀螺仪用于测量物体的角速度和旋转。
借助MEMS传感器，我们可以计算物体的倾角。
倾角是物体相对于重力矢量的角度。
传统上，倾角可以通过使用水平仪或倾斜仪来测量。
然而，现代技术的发展使得使用MEMS传感器更为方便和准确。
要计算倾角，我们首先需要获取MEMS传感器的输出数据。
这些数据通常以数字信号的形式提供，可以通过连接传感器到微处理器或电脑来获取。
接下来，我们需要将这些数字信号转换为物体的倾角。
对于加速度计，我们可以使用三轴加速度计的输出数据来计算物体的倾角。
通过测量物体在三个方向上的加速度，我们可以计算出物体相对于重力的倾角。
这可以通过应用三角函数来实现。
具体而言，我们可以使用反正切函数来计算物体在水平方向和垂直方向上的倾角。
然后，我们可以使用这些倾角来计算物体的综合倾角。
对于陀螺仪，我们可以使用其输出的角速度数据来计算物体的倾角。
通过积分陀螺仪的角速度数据，我们可以获得物体相对于初始位置的旋转角度。
然后，我们可以使用这个旋转角度来计算物体的倾角。
除了计算倾角，MEMS传感器还可以用于其他应用，如姿态控制和导航。
通过结合加速度计和陀螺仪的输出数据，我们可以实现更精确的姿态控制和导航。
例如，在飞行器中，MEMS传感器可以用于测量飞行器的姿态和方向，从而实现准确的飞行控制。
总结起来，MEMS传感器是一种用于测量倾角和姿态的微型电子机械系统。
倾角传感器的原理与应用
倾角传感器的原理与应用1. 倾角传感器简介倾角传感器（Inclinometer）是一种能够测量物体倾斜角度的传感器，广泛应用于航空航天、工业自动化、建筑工程等领域。
本文将介绍倾角传感器的工作原理、分类和应用。
2. 倾角传感器的工作原理倾角传感器的工作原理基于重力引力的影响。
传感器内部通常包含一对微小的加速度计，它们能够测量物体在三个轴向的加速度值。
通过测量物体相对于地球的倾斜角度，倾角传感器能够准确地确定物体的倾斜状态。
3. 倾角传感器的分类根据测量原理和工作方式的不同，倾角传感器可以分为以下几类：3.1 基于电容原理的倾角传感器基于电容原理的倾角传感器利用物体在重力作用下相对于传感器发生微小位移时，电容值的变化来测量倾角。
这种传感器具有测量范围广、精度高等优点。
3.2 基于振动原理的倾角传感器基于振动原理的倾角传感器通过测量物体在倾斜时产生的振动频率和幅度来确定物体的倾角。
这种传感器具有快速响应、低功耗等特点。
3.3 基于光学原理的倾角传感器基于光学原理的倾角传感器利用物体在倾斜时折射光线的变化来测量倾角。
这种传感器具有无耗材、高精度等特点。
3.4 基于电阻原理的倾角传感器基于电阻原理的倾角传感器通过测量物体在倾斜时产生的电阻值的变化来测量倾角。
这种传感器具有结构简单、成本低等优点。
4. 倾角传感器的应用倾角传感器广泛应用于以下领域：4.1 建筑工程倾角传感器可以用于监测建筑物的倾斜和沉降情况，通过实时监测数据可以确保建筑物的安全性，并及时采取相应的维修措施。
4.2 自动化设备倾角传感器可用于自动化设备的倾斜监测和控制，如机械臂、直线导轨等设备。
通过倾角传感器的信号反馈，系统可以实时调整设备的姿态，保证运行的稳定性和安全性。
4.3 车辆导航与安全倾角传感器可用于汽车、船舶等交通工具的倾斜检测和导航控制。
通过测量车辆的倾斜角度，系统可以实时提醒驾驶员和采取相应的安全措施，提高行车安全性。
4.4 航空航天领域倾角传感器在航空航天领域中具有重要应用。
基于MEMS传感器技术的倾角测量仪设计
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１ 引 言
目前很 多 工程 应用 领 域 需要 进行 精确 、 大量 程 的角 度测 最后～位 为小数 。 倾角测量仪 与计算机通讯采用 的是 Ｕ Ｓ Ｂ转 串口 量 以及 水平 面的确 定， 并 把采集 到的数 据交 由计算机 分析处理 芯 片 Ｐ Ｌ ２ ３ ０ ３ ， 该 芯 片 一 次 性 完 成 Ｕ Ｓ Ｂ至 Ｔ Ｔ Ｌ电 平 的 转 换 ， 无 需 增 ［ １ ， ２ ］ 。 本文针对 这种需求 ， 设计 了基于 Ｍ Ｅ Ｍ Ｓ加速度 倾角传感器 结构简 单。 的倾角测量仪， 硬件采用 Ｓ Ｃ Ａ ６ １ ０倾角传感器 ， Ａ ｔ ｍ ｅ ｇ ａ ８单 片机 ， 加电平转 换芯 片， 数码管和 串 口数据通讯 。 软件方面进 行 了传感器 的线 性度拟合 ，
高精度双轴倾角传感器LE-30
LE-30倾角仪说明书
（RS232接口）
一．产品特点
1．通过硅微机械传感器测量以水平面为参面的双轴倾角变化。
2．数据通讯RS232接口。
3．通过串口指令标定倾角水平零点。
4．外壳结构防水，抗外界干扰能力强。
二．产品描述
LE-30是双轴倾角传感器，通过测量静态重力加速度变化，转换成倾角变化。
测量输出传感器相对于水平面的倾斜和俯仰角度。
内置温度补偿自动修正传感器温度漂移。
传感器角度响应速度1-5次/秒。
内置冲击抑制模式，依靠角度反映速度的差别，区分冲击震动和倾角变化。
三．主要技术指标
1．常规模式时主要指标（环境温度=20℃，电源=+12V）
2．其它指标
3.工作参数极限值
四．输出数据格式
LE-30上电工作后，等待命令，命令格式和输出格为ASCII字符方具体式如下：1.发送命令格式：
2．接收输出格式：
*注释说明：前面数据帧按照16进制数据进行异或校验，结果如果是0x3C，则显示ASCII字符3C。
五．命令表，和命令详释
六．插座采用XS12J7C K7ABR55 7芯防水插座，插座接线定义如下：
七．外壳机械尺寸：
外壳尺寸：长方形，长90mm，宽60，高38mm。
示意图：
注：防水等级标准IP55以上。
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基于MEMS加速度传感器的双轴倾角计及其应用
引言
MAV由于体积和负载能力极为有限,因此,减小和减轻飞控导航系统的体积及重量,就显得尤为重要。
本文基于MEMS加速度传感器,设计一种双轴倾角计,该装置精度高、重量轻,可满足MAV的姿态角测量要求,也可用于其他需要体积小、重量轻的倾角测量设备上。
MEMS加速度传感器
ADXL202 是最新的、低重力加速度双轴表面微机械加工的加速度计,以模拟量和脉宽调制数字量2种方式输出,并具有极低的功耗和噪音。
表面微机械加工使加速度传感器、信号处理电路高度集成于一个硅片上。
和所有加速度计一样,传感器单元是差动电容器,其输出与加速度成比例。
加速度计的性能依赖于传感器的结构设计。
差动电容是由悬臂梁构成,而悬臂梁是由很多相间分布的指状电容电极副构成,一副指状电容电极可简化为图1所示的结构。
每个指状电极的电容正比例于固定电极和移动电极之间的重叠面积以及移动电极的位移。
显然,这些都是很小的电容器,并且,为了降低噪声和提高分辨力,实际上需要尽可能大的差动电容。
悬臂梁的运动是由支撑它的多晶硅弹簧控制。
这些弹簧和悬臂梁的质量遵守牛顿第二定律:质量为m 的物体,因受力F而产生加速度a,则F =m a。
而弹簧的形变与所受力的大小成比例,即F = kx,所以
x = （m / k）a ,
式中x为位移, m; m 为质量, kg; a为加速度, m / s2 ; k为弹簧刚度系数, N /m。
因此,仅有支撑弹簧的刚度和悬臂梁的质量2个参数是可控的。
减小弹簧系数似乎是提高悬臂梁灵敏度的一种容易方法,但悬臂梁的共振频率正比例于弹簧系数,所以, 减小弹簧系数导致悬臂梁共振频率降低,而加速度计必须工作在共振频率之下。
此外,增大弹簧系数使悬臂梁更坚固。
所以,如果保持尽可能高的弹簧系数, 只有悬臂梁的质量参数是可变化的。
通常,增大质量意味着增大传感器的面积,从而使悬臂梁增大。
在ADXL202中,设计出一个新颖的悬臂梁结构。
构成X轴和Y轴可变电容的指状电极沿着一个正方形四周的悬臂梁集成,从而使整个传感器的面积减小,而且,共用的大质量的悬臂梁提高了ADXL202的分辨力。
位于悬臂梁四角的弹簧悬挂系统用以使X 轴和Y轴的灵敏度耦合减小到最小。
倾角测量原理
ADXL202 用于倾角测量是最典型的应用之一,它以重力作为输入矢量来决定物体在空间的方向。
当重力与其敏感轴垂直时,它对倾斜最敏感,在该方位上其对倾角的灵敏度最高。
当敏感轴与重力平行时,每倾斜1 °所引起输出加速度的变化被忽略。
当加速度计敏感轴与重力垂直时,每倾斜1 °所引起输出加速度的变化约为17. 5mgn ,但在45°时,每倾斜1 °所引起输出加速度的变化仅为12. 5mgn ,而且,分辨力降低。
表1为X, Y轴在铅垂面内倾斜±90 °时,X, Y 轴的输出。
当该加速度计的X, Y轴都与重力方向垂直时,可作为具有滚转角和俯仰角的双轴倾角传感器。
一旦加速度计的输出信号被转化为一个加速度, 该加速度将位于- 1 gn 和+ 1 gn 之间。
则倾斜角以度表示可按下式计算
θ= arcsin （AX / gn ）
γ= arcsin （AY / gn ）,
式中θ,γ分别为俯仰角和滚转角, （°）; AX , AY 分别为加速度传感器X轴和Y轴输出, gn。
倾角测量电路
测量电路方框图如图2所示, ADXL202输出的电压首先经低通滤波器虑波,再经电压跟随器进行阻抗匹配。
当X, Y轴均处于水平位置时,两路输出电压经分压器分压后为1. 2V,当X, Y轴分别从- 90°转到+ 90°时,经过放大后的电压从0V变到+ 2. 4V,以适应单片机C8051F002 的A /D转换器的需要,然后,用单片机进行线性化处理和温度补偿,分别以模拟量从D /A转换器DAC0,DAC1输出,并以θA 表示俯仰角的模拟量输出,γB 表示滚转角的模拟量输出;同时,俯仰角和滚转角转换为数字量从串行口RS232以数字量度输出,分别为θD 和γD。
实验结果
在倾角计线性化和温度补偿后,进行了量程范围内的测量,所用设备为三坐标测量仪工作台作为水平基准,200mm正弦规及千分块规作为角度发生器产生基准角度,通过串口连接倾角计于计算机显示倾角计所测角度。
由于三坐标测量仪工作台的水平度及正弦规和千分块规所产生角度精度足够高,认为所产生的角度误差极小,可作为角度的期望值。
测量结果如表2所示。
从表2可以算出:倾角最大误差为- 0. 26°～0. 25°,而平均角度误差为±0. 135°, 分别为满量程的0. 57 %和0. 30 %。
结论
本文利用MEMS双轴加速度传感器设计的双轴倾角计,体积小、重量轻（约10 g）,线性化及温度补偿后的测量结果表明: 在测量范围±45°内, 最大误差为满量程的0. 57 % ,平均误差为满量程的0. 30 %。
该倾角计很好地满足了MA V姿态控制时滚转角、俯仰角测量要求。
同时,该倾角计也可以用于要求体积小、重量轻的其他测量设备上。
原文地址：/tech/detail/t11605.html。