一種新型三維方向和加速度傳感器*

黃 超， 曾體賢， 王茂州， 楊尚云， 毛璽麟

(西華師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，四川 南充 637009)

0 引 言

傳感器在各種系統(tǒng)中是不可缺少的且在一定程度上決定系統(tǒng)性能[1]。隨著微電子技術(shù)、光電技術(shù)的迅速發(fā)展和工藝成熟，促進(jìn)了微傳感器、智能傳感器、MEMS器件等新一代先進(jìn)傳感器的發(fā)展[2]。角度傳感器按轉(zhuǎn)換原理不同有很多實(shí)現(xiàn)形式,如光柵式、加速度計(jì)式、電容式等。根據(jù)不同形式又可分為變面積、變間隙、變介電常數(shù)等類型[3]。固體擺錘式與液體擺式原理的傾角傳感器研究比較成熟，且應(yīng)用廣泛，但容易受機(jī)械震動(dòng)[4]等外界干擾；磁阻式角度傳感器雖然能夠進(jìn)行精確角度測量，但是不便于安裝，且不便于校準(zhǔn)[5]；另外，溫度補(bǔ)償和線性補(bǔ)償時(shí)軟件補(bǔ)償需一對(duì)一調(diào)試補(bǔ)償，過程復(fù)雜、繁瑣[6]。

本文提出一種新型的三維方向和加速度傳感器,可檢測被測物體三維運(yùn)動(dòng)信息。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，抗干擾能力強(qiáng)，有較好的實(shí)用前景。

1 設(shè)計(jì)思路

圖1所示為一維傳感器結(jié)構(gòu)，傳感器的基本原理是通過水銀(其他低電阻率、沾滯系數(shù)較低的導(dǎo)電液亦可)在外力作用下流動(dòng)與裸置的環(huán)形電阻絲不同位置連接形成回路，進(jìn)而返回對(duì)應(yīng)電信號(hào)。由3只一維方向傳感器配件相互垂直放置可構(gòu)成三維方向傳感器，3只二維傳感器在使用時(shí)只使用其中2只，原理相同。2只一維傳感器返回的電信號(hào)組成的數(shù)組與測試方向或加速度大小方向呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過處理后，即可獲被測物體三維方向或加速度的大小方向。

傳感器配件外型設(shè)計(jì)時(shí)，其內(nèi)部邊緣接觸部分向圓心略成角度。配件平置時(shí)，水銀小球自動(dòng)滑落至凹槽內(nèi)，防止誤判。使用時(shí)端口5的a，c輸入恒定電壓U(a為高電位，c位低電位)。在配件方向發(fā)生偏移或者加速度作用下，水銀小球會(huì)沿著邊緣滾動(dòng)，1，2端口被短接，電信號(hào)由b傳出。假設(shè)端口處為起點(diǎn)0點(diǎn)，相對(duì)0點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角度φ滿足

(1)

圖1 一維傳感器結(jié)構(gòu)圖

構(gòu)成三維方向傳感器暨加速度傳感器時(shí)，便于數(shù)據(jù)采集與處理，3只一維傳感器平面相互垂直放置。本文設(shè)計(jì)了2種常用組合方案，如圖2所示，其一是將3只(大小相同或者不同)傳感器分別置于正方體相互垂直的3個(gè)面上；其二是3只傳感器呈環(huán)形，由大到小依次包容。

圖2 傳感器外型圖

2 工作原理和信號(hào)處理

2.1 方向傳感器

如圖3所示，正方體A1B1C1D1-O1E1F1G1為外殼。被測試的平面為XOY，n為平面的法相向量。初始時(shí)，水銀球處于豎直方向位置，對(duì)應(yīng)方向的起點(diǎn)原點(diǎn)O，物體運(yùn)動(dòng)過程中，XOZ平面內(nèi)水銀球相對(duì)于O點(diǎn)偏移角度為φa，YOZ平面內(nèi)水銀球相對(duì)于O點(diǎn)偏移角度為φb

(2)

圖3 傳感器原理圖

2.2 加速度傳感器

(3)

2.3 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊如圖4所示，傳感器三端口分別為高電平端口、低電平端口和信號(hào)輸出端口。傳感器高端或低端串接限流電阻器(如1 kΩ)，輸出信號(hào)經(jīng)過10位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(如ADC TLC1543)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)處理器分析，即可獲取物體運(yùn)動(dòng)過程中的方位和加速度數(shù)值。

圖4 信號(hào)處理電路圖

2.4 測試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)中采用VCC=5 V，限流電阻R=1 kΩ，每只傳感器配件上的環(huán)形電阻R0=1 kΩ，接線端口處于最下端使用。A1OE1D1和D1E1F1C1面上的2只傳感器，對(duì)應(yīng)輸出數(shù)據(jù)為Ua，Ub，測試平面為XOY平面，最后輸出的數(shù)據(jù)為豎直方向分別與XOZ面和YOZ面投影的夾角，水平時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)為0。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

作為加速度傳感器時(shí)，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。從表中可以看出：不論作為方向傳感器還是加速度傳感器，數(shù)據(jù)精度可達(dá)較高(小數(shù)點(diǎn)后2位)，能準(zhǔn)確快速地確定物體方位、傾角、加速度大小與方向。

表1 方向傳感器測試數(shù)據(jù)

表2 加速度傳感器測試數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

新型三維方向傳感器暨加速度傳感器作為方向傳感器時(shí)，可以測出靜止、勻速運(yùn)動(dòng)或者加速度較小的物體偏移的三維角度；作為加速度傳感器時(shí)，可以測出平動(dòng)且加速度變化較小的物體的加速度。該三維方向暨加速度傳感器使用簡單方便、精度高、制作成本低，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

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[4] 陳占先,張福學(xué),李興教.氣體擺式傾角傳感器[J].壓電與聲光，1995,17(2):20.

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[6] 樸林華，崔雪梅.微機(jī)械氣流式傾角傳感器的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011,30(12):60.