現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)作業(yè).doc

序號(hào)：10現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)傳感器作業(yè)題 目： 雙軸高精度傾角傳感器SCA100T 院 系： 電信與通信工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 0 7自動(dòng)化 學(xué)生姓名: 黃 帥 學(xué) 號(hào):2009年 10月18日雙軸高精度傾角傳感器SCA100T摘要：本文介紹了芬蘭VTI公司生產(chǎn)的型號(hào)為SCA100T的傾角傳感器的原理、結(jié)構(gòu)特性、接口等，并且介紹了該器件的一典型應(yīng)用：SCA100T在鉆孔測(cè)斜儀中的應(yīng)用設(shè)計(jì)，以及分析該控制系統(tǒng)中使用該芯片的優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞：SCA100T；SPI接口；AT89S52單片機(jī)；雙軸傾角傳感1雙軸傾角傳感器SCA100T介紹SCA100T傾角傳感器是芬蘭 VTI公司 2005年最新推出的, 利用MEMS技術(shù)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的高精度的雙軸傾角傳感器 , 體積小重量輕僅1.2克。MEMS（Micro electro mechanical system）是二十一世紀(jì)的前沿技術(shù)，采用MEMS技術(shù)可以在硅芯片上加工出完整的徽型電子機(jī)械系統(tǒng),包含了微型傳感器、微型機(jī)械結(jié)構(gòu)、以及信號(hào)處理和控制電路、通訊接口等于一體的微型器件, 把信息系統(tǒng)的微型化、多功能化、 智能化和可靠性水平提高到新的高度 。該芯片的引腳圖及說(shuō)明如下：管腳 名稱(chēng) 功能1 sck 串行口時(shí)鐘輸入2 ext_1 X軸外接電容3 MISO 數(shù)據(jù)輸出4 MISI 數(shù)據(jù)輸入5 OUT2 Y軸輸出6 VSS 電源負(fù)極7 csb 片選8 ext_2 Y軸外接電容9 ST_2 Y軸測(cè)試輸入10 ST_1 X軸測(cè)試輸入11 OUT1 X軸輸出12 VCC 電源正極127891011YX1456322內(nèi)容2.1工作原理該器件內(nèi)部包含了一個(gè)硅敏感微電容傳感器，測(cè)量芯片在X和Y方向的加速度以及一個(gè)專(zhuān)用ASIC集成電路, ASIC電路集成了EEPROM存儲(chǔ) 器、信號(hào)放大器 、AD轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器和SPI串行通信接口 , 組成了一個(gè)完整的數(shù)字化傳感器。有30o和90o兩種量程 ,其主要原理如下：yyabxxgg圖一 圖二圖中g(shù)代表重力加速度，x和y分別代表雙軸的重力加速度，a和b分別代表雙軸上的重力加速度與水平的夾角；芯片內(nèi)部通過(guò)對(duì)x，y，g以及合成量的測(cè)量，再將信號(hào)通過(guò)一定得集成電路，將輸出量與角度線(xiàn)性化、數(shù)字化，這樣得出的輸出量就為隨傾角變化的分量。2.2測(cè)量的物理量及范圍雙軸高精度傾角測(cè)量可靠測(cè)量范圍：3090DIL-12塑料SMD封裝，可回流焊單電源+5V供電輸出差分模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)（SPI）內(nèi)置溫度傳感器（數(shù)字SPI輸出）抗振20,000g2.3應(yīng)用領(lǐng)域及舉例2.3.1應(yīng)用領(lǐng)域-地理:山體滑坡，雪崩-民用:大壩，建筑，橋梁，玩具，報(bào)警，運(yùn)輸-工業(yè)：吊車(chē)，吊架，收割機(jī)，起重機(jī)，稱(chēng)重系統(tǒng)的傾斜補(bǔ)償，瀝青機(jī)鋪路機(jī)等-火車(chē)：高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架和客車(chē)車(chē)廂的傾斜測(cè)量-海事：縱傾和橫滾控制，油輪控制，天線(xiàn)位置控制-鉆井：精確鉆井傾斜控制-機(jī)械：傾斜控制，大型機(jī)械對(duì)準(zhǔn)控制，彎曲控制，起重機(jī)-軍用：火炮和雷達(dá)調(diào)整，初始位置控制，導(dǎo)航系統(tǒng)，軍用著陸平臺(tái)控制典型應(yīng)用：鉆孔測(cè)斜儀、汽車(chē)四輪定位儀、鐵道軌距尺、水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)用傾斜儀。2.3.2應(yīng)用舉例：SCA100T在鉆孔測(cè)斜儀中的應(yīng)用。2.3.2.1測(cè)量原理SCA100T型傾角傳感器混合電路安裝在測(cè)斜儀探管頂端，當(dāng)探管處于不同位置時(shí)，傳感器的3個(gè)敏感軸會(huì)根據(jù)角度的變化而輸出相應(yīng)的模擬量。然后將信號(hào)送人單片機(jī)MSC1210中，最終通過(guò)MAX 485總線(xiàn)傳給地面上的工控機(jī)。測(cè)量系統(tǒng)原理圖如圖1所示。SCA100T單片機(jī)MCUMsc1210工控機(jī)圖三 測(cè)量系統(tǒng)原理圖SCA100T是一種靜態(tài)加速度傳感器，當(dāng)加速度傳感器的敏感軸與地面水平時(shí)，作用在它上面的只有重力加速度。重力和加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角。傳感器單軸的測(cè)量范圍是90o，通過(guò)雙軸作空間換算為了獲得最高精度，精確地描述輸出值與角度之間的關(guān)系，利用原始數(shù)據(jù)繪制的散點(diǎn)圖來(lái)擬合函數(shù)曲線(xiàn)，以?xún)A角傳感器的X軸的輸出值為例進(jìn)行采樣，推算出傾角的回歸模型。從而得出傾角大小。然后通過(guò)總線(xiàn)操作工控機(jī)，校正鉆孔角度。2.3.2.2誤差處理2.3.2.2.1 回歸模型的修正由于該控制系統(tǒng)存在比較大的誤差，以及輸出與傾角的線(xiàn)性關(guān)系的誤差。為了獲得最高精度，精確地描述輸出值與角度之間的關(guān)系，利用原始數(shù)據(jù)繪制的散點(diǎn)圖來(lái)擬合函數(shù)曲線(xiàn)，以?xún)A角傳感器的 軸的輸出值為例進(jìn)行采樣，推算出傾角的回歸模型。通過(guò)測(cè)得的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了傾角傳感器X軸的散點(diǎn)表。表一如下：由圖可知測(cè)出的2個(gè)變量角度和電壓基本成正弦變化趨勢(shì)，因此可設(shè) 軸的回歸模型為：y=a1sinx+b1作變量代換X=sin x； Y=y，得 Y=a1X+b1。則由原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)(xi ，y i)，求出對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)( Xi，Yi)。計(jì)算出樣本相關(guān)系數(shù)：r=0.999 96。因?yàn)閘 r lro (17)=0.575 1，所以，認(rèn)為Y與X之間的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系特別顯著，因此可以用此模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出 軸的回歸模型為：y=0.593 103sinx+2.501 842.3.2.2.2補(bǔ)償方法為進(jìn)一步減少誤差，可對(duì)函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)修正方法進(jìn)行消除。因此在相同的條件下，需要反復(fù)多次進(jìn)行測(cè)量。首先將傳感器的誤差計(jì)算出來(lái)做出誤差表(見(jiàn)表1)，然后取與誤差中最小值大小相同而符號(hào)相反的值作為修正值，將實(shí)際測(cè)得值加上相應(yīng)的修正值，即可得到不包含該誤差的測(cè)量結(jié)果。但是由于修正值本身也可能包含有一定誤差，因此用修正值消除誤差的方法，不可能將全部誤差修正掉，總要?dú)埩羯倭空`差，對(duì)這種殘留的誤差則應(yīng)按隨機(jī)誤差進(jìn)行處理。補(bǔ)償方法就是用SCA100T傾角傳感器測(cè)出的電壓值根據(jù)推導(dǎo)出的回歸模型求出sin a ，就得出了傾角測(cè)量時(shí)得到的傾角推算值a1 ，接著對(duì)a1 進(jìn)行修正，得到修正后的傾角值為a2 ，并使a 2盡可能與真實(shí)傾角值 a相等在補(bǔ)償過(guò)程中存在著兩個(gè)問(wèn)題：其一，由于傾角為0o時(shí)的誤差為負(fù)，因此在進(jìn)行多項(xiàng)式擬合時(shí)將其歸入傾角為負(fù)中計(jì)算；其二，在90o時(shí)計(jì)算出的傾角值可能超出范圍，因此多測(cè)量幾次，找到其合適的值后，事先進(jìn)行截?cái)嗵幚?，使整個(gè)補(bǔ)償過(guò)程順利進(jìn)行。通過(guò)以上的誤差處理，測(cè)量結(jié)果如下：a 雙軸傾角傳感器測(cè)量?jī)A角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性很好，并且傾角的推算結(jié)果及其誤差的分布情況比較均勻，說(shuō)明測(cè)量?jī)A角的實(shí)驗(yàn)條件穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。b 雖然測(cè)量?jī)A角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和推算結(jié)果存在一定的誤差，但其誤差分布的規(guī)律性很強(qiáng)。運(yùn)用誤差補(bǔ)償技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和推算結(jié)果進(jìn)行誤差補(bǔ)償能起到很好的效果。e 經(jīng)過(guò)對(duì)傾角傳感器的誤差校正，該傳感器基本能克服由于測(cè)量裝置的精度和漂移帶來(lái)的誤差，并且經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償?shù)碾p軸傾角傳感器的傾角測(cè)量的誤差減小了，它們的均方差最大為0.15258，誤差補(bǔ)償?shù)男Ч浅：?。d 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度，完全可以滿(mǎn)足實(shí)際傾角測(cè)量的精度要求。e 雙軸傾角傳感器在鉆孔測(cè)斜儀的應(yīng)用中，共軸部分的精度問(wèn)題有待進(jìn)一步的提高。2.4技術(shù)指標(biāo)、參考價(jià)格及生產(chǎn)廠(chǎng)家參考價(jià)格：388 RMB。生產(chǎn)廠(chǎng)家：北京神州巡天科貿(mào)有限公司。三：課程建議現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)這門(mén)課程，對(duì)于我們專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)非常重要，其中介紹了很多常用的傳感器，這些傳感器在我們今后的控制系統(tǒng)中非常重要。課堂上老師教給我們分析傳感器的方法能使我們直接受益。只是我們上課的教室沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致老師給我們看的一些網(wǎng)上視頻都無(wú)法鏈接。這些傳感器的實(shí)際應(yīng)用我們也就無(wú)法進(jìn)一步了解。在以后的課程中，我希望能夠了解到更多的傳感器的實(shí)際應(yīng)用知識(shí)。四：取得結(jié)果及致謝正文通過(guò)這一次作業(yè)，我前后花了幾天時(shí)間。首先是在網(wǎng)上以及圖書(shū)館查找傳感器的型號(hào)。找了很久，恍然記起在電子競(jìng)賽期間用過(guò)的傾斜傳感器，它在2007年電子競(jìng)賽中尋找平衡點(diǎn)的應(yīng)用讓我恍然覺(jué)悟了。于是乎重新找到那個(gè)芯片，開(kāi)始了這次作業(yè)。由于以前用過(guò)這個(gè)芯片，寫(xiě)起來(lái)也就比較順利。但是為了編排布局，也花費(fèi)了不少時(shí)間。在這次作業(yè)期間，通過(guò)重新查閱資料，又加深了對(duì)這個(gè)傳感器的認(rèn)識(shí)，尤其是原理的認(rèn)識(shí)。以前只知道用它，現(xiàn)在知道原理了用起來(lái)更加得心應(yīng)手了。最后感謝譚老師教給我們這么多有用的知識(shí)，讓我們學(xué)到了很多實(shí)用的知識(shí)。譚老師教學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)， -五：參考文獻(xiàn)1 曾光奇