雙軸傾角傳感器示值誤差檢測方法

/ 陜西省計量科學(xué)研究院

0 引言

隨著雙軸傾角傳感器在航空航海、機械、交通、建筑等各領(lǐng)域的廣泛使用，其示值誤差的校準(zhǔn)檢測也越來越受到重視。

1 雙軸傾角傳感器工作原理

傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平角度變化測量，作為一種檢測工具，它已成為航空航海、土木工程、石油鉆井、工業(yè)自動化、機械加工等領(lǐng)域不可缺少的重要測量工具。用它可測量被測平面相對于水平位置的傾斜度、兩部件相互之間的平行度和垂直度等。

隨著硅微機械傳感器測量（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，采用MEMS技術(shù)、數(shù)字輸出的雙軸傾角傳感器使用逐漸增多。雙軸傾角傳感器（見圖1）用于各種角度的測量。例如，高精度激光儀器的水平度、工程機械設(shè)備調(diào)平、遠(yuǎn)距離測距儀器、高空平臺安全保護、定向衛(wèi)星通信天線的俯仰角測量、船舶航行姿態(tài)測量、盾構(gòu)頂管應(yīng)用、大壩檢測、火炮炮管初射角度測量、雷達車輛平臺檢測、衛(wèi)星通信車姿態(tài)檢測等。當(dāng)傾角傳感器靜止時，也就是側(cè)面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角。一般意義上的傾角傳感器是靜態(tài)測量或者準(zhǔn)靜態(tài)測量，一旦有外界加速度，那么加速度芯片測出的加速度就包含外界加速度，故計算出來的角度就不準(zhǔn)確。因此，雙軸傾角傳感器采用高端MEMS技術(shù)，傳感器內(nèi)部采用高分辨力差分?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置自動補償和濾波算法，很大程度減小了環(huán)境變化引起的誤差。把靜態(tài)重力場的變化轉(zhuǎn)換成傾角變化，通過數(shù)字方式直接輸出當(dāng)前的橫滾角和俯仰角的角度值。因此，傳感器的示值誤差需要進行檢測，保證其量值傳遞可靠。

圖1 傾角傳感器結(jié)構(gòu)

2 檢測方法

根據(jù)雙軸傾角傳感器的原理分析，對雙軸傾角傳感器的校準(zhǔn)方法設(shè)計如下，用角度轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn)裝置參照J(rèn)JF 1352-2012《角位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》來校準(zhǔn)雙軸傾角傳感器X軸示值誤差、Y軸示值誤差。標(biāo)準(zhǔn)器角度轉(zhuǎn)臺是英國某公司生產(chǎn)，分辨力為0.1″，準(zhǔn)確度等級為2″，量值溯源到中國計量科學(xué)研究院。以某公司的BWH526雙軸傾角傳感器為例，見圖2。

圖2 雙軸傾角傳感器

轉(zhuǎn)動角度轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生0～360°任意標(biāo)準(zhǔn)角度角值，由轉(zhuǎn)臺數(shù)顯裝置讀出，被測雙軸傾角傳感器接通穩(wěn)壓直流電源，通過PC終端串口助手或者數(shù)字方式直接顯示角度值。傳感器的安裝面與被測量面固定必須緊密、平整、穩(wěn)定，根據(jù)安裝示意圖（圖3）進行安裝。通過定做專用夾具、壓板將雙軸傾角傳感器按照X軸和Y軸正確安裝，見圖4、圖5。分別進行測量得出X軸和Y軸的示值誤差，見表1、表2。

圖3 安裝示意圖

圖4 X軸安裝方式

圖5 Y軸安裝方式

表2 Y軸示值誤差

傳感器軸線與被測量軸線必須平行，兩軸線盡可能不要產(chǎn)生夾角，安裝錯誤示例如圖6所示。

圖6 安裝錯誤示例

該雙軸傾角傳感器測量范圍為±30°，準(zhǔn)確度0.005°，示值誤差滿足JJF 1352-2012的要求。

3 結(jié)語

本文分析了雙軸傾角傳感器的原理，利用現(xiàn)有的角度轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn)裝置設(shè)計了此類傳感器的校準(zhǔn)方法，檢測出其示值誤差，保證了該傳感器的量值傳遞的準(zhǔn)確性。