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FredericksTrueTILT? 電解質(zhì)傾角傳感器優(yōu)勢
長期以來，電解質(zhì)型傾角傳感器穩(wěn)定工作的應(yīng)用范圍從高性能航空電子系統(tǒng)延伸到高精度地震監(jiān)測儀器以及消費(fèi)電子領(lǐng)域。近年來，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMs）加速計(jì)和傾角傳感器的應(yīng)用越來越普遍，應(yīng)用在汽車、游戲操控器和手機(jī)等消費(fèi)產(chǎn)品中，工業(yè)用途則有建筑激光儀器、地理監(jiān)測設(shè)備和機(jī)器水平調(diào)節(jié)儀。與電解質(zhì)型傾角傳感器相比，MEMs型產(chǎn)品通常尺寸更小，成本更低，因而成為生產(chǎn)制造中廣受歡迎的元件。
既然MEMs具備如此吸引人的特性，為什么人們?nèi)栽趶V泛使用電解質(zhì)型傾角傳感器？
性能傾角傳感器的性能取決于多項(xiàng)屬性：漂移、可重復(fù)性和環(huán)境耐久性。
漂移意味著久而久之讀數(shù)不準(zhǔn)，需要經(jīng)常性的校準(zhǔn)。大部分MEMs產(chǎn)品要求穩(wěn)定的電壓供應(yīng)，設(shè)備的高重復(fù)性要求很好地控制在微伏范圍。要保證長時間和不同溫度下的電壓穩(wěn)定性，就需要采用昂貴而高精度的電源。與MEMs產(chǎn)品相比，設(shè)計(jì)合理的電解質(zhì)型傾角傳感器具有優(yōu)勢，即其測量值是比率值，電壓的差異不會影響傳感器的讀數(shù)，因此在操作時不需要昂貴的電源。
盡管MEMs產(chǎn)品的性能在逐步提高，但在高可重復(fù)性應(yīng)用上仍無法與電解質(zhì)型傳感器競爭。高端的電解質(zhì)型產(chǎn)品通常具備亞角秒級的可重復(fù)性，即便是價格低廉的產(chǎn)品現(xiàn)在也具備5角秒可重復(fù)性。非定制MEMs產(chǎn)品還不具備這種級別的性能，只有更昂貴的高端MEMs產(chǎn)品才具備此性能，而這要求昂貴的電子器件支持。
在極端條件下，電解質(zhì)型傳感器同樣勝過MEMs產(chǎn)品。產(chǎn)品的環(huán)境耐久性極大地影響其性能。電解質(zhì)型傳感器在 60℃至120℃的溫度范圍內(nèi)擁有良好的性能證明記錄，在特定應(yīng)用中的溫度范圍更寬，遍及航空航天、建筑、鉆井和太陽能跟蹤。由于沒有易損耗的活動件，電解質(zhì)型傳感器擁有很長的使用期，能夠應(yīng)對振動和沖擊。另外，電解質(zhì)型傳感器使用氣密封口，因此不會有濕氣問題；而由于MEMs產(chǎn)品使用塑料包裝，濕氣會對其造成影響。
簡易性
電解質(zhì)型傾角傳感器簡單易用、性能優(yōu)越、堅(jiān)固耐久。將傾角傳感器集成到系統(tǒng)中就像讀取模擬電壓一樣輕而易舉，電壓只是與角度成比例。由于讀數(shù)是以比率計(jì)值，所以不需要完美的穩(wěn)定5伏電壓，只要傾角傳感器驅(qū)動電壓與模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）基準(zhǔn)電壓相同即可。電解質(zhì)型傳感器可以在任何電壓下（5伏、3.3伏等）運(yùn)轉(zhuǎn)，因此其電子器件非常簡單，需要的功率非常低。甚至在更低的功率消耗下，能夠縮減工作周期，只在需要的時間讀數(shù)。通過使用一個電源以及一個具備雙數(shù)字端口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)，利用少量的無源元件就能夠?qū)A角傳感器集成到系統(tǒng)中。
正因?yàn)槠浜唵我子眯裕瑑A角傳感器有各種包裝可選，Fredericks公司專利的TrueTILT?金屬罐電解質(zhì)型傳感器。一些新的陶瓷傳感器設(shè)計(jì)有安裝孔，以利于安裝到凹凸不平的機(jī)械包裝中。就像MEMs傳感器很容易安裝到電路板上一樣，F(xiàn)redericks公司生產(chǎn)的新型金屬電解質(zhì)型傾角傳感器可以直接焊接到一塊印刷電路板（PCB）上，從而很容易同其它電子器件集成。
為了達(dá)到高可重復(fù)性，傳感器需要密封才能在不同溫度下發(fā)揮最大性能。為了獲得角秒范圍角度的測量值，傳感器需要有具備最小熱變的穩(wěn)定基底。在這些應(yīng)用中，印刷電路板（PCB）并不是最佳的安裝選擇。對于密封，有許多種安裝方案。傳感器也可以安置在離印刷電路板一定距離的地方，從而避免使用定制板遠(yuǎn)距離安裝電子器件。
售后支持與實(shí)用性
非定制（或者廉價的）MEMs傳感器在商業(yè)驅(qū)動的大規(guī)模應(yīng)用中，并沒有承諾將來的可用性。在生產(chǎn)周期很長的實(shí)際應(yīng)用中，采購經(jīng)理和工程師不得不為過時零件尋找備件，許多時候?qū)?dǎo)致重新設(shè)計(jì)電路板或產(chǎn)品以適應(yīng)新的MEMs產(chǎn)品的器件封裝。唯一的出路就是終身采購該產(chǎn)品，或者花費(fèi)大量時間和資源對電子器件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和認(rèn)證。與MEMs傳感器供應(yīng)商相比，許多電解質(zhì)型傾角傳感器公司在產(chǎn)品和客戶支持上更加以客戶為中心。他們會為了滿足客戶需求而做出修改，無論數(shù)量多少都會銷售給客戶。傾角傳感器公司能夠長期堅(jiān)持其產(chǎn)品，服務(wù)其客戶。即使正在開發(fā)創(chuàng)新部件，他們?nèi)匀焕^續(xù)生產(chǎn)遠(yuǎn)至上世紀(jì)60年代的零件，從而幫助客戶繼續(xù)生產(chǎn)傳統(tǒng)產(chǎn)品而無需頻繁地重新設(shè)計(jì)。
電解質(zhì)型傾角傳感器的未來
對于某些應(yīng)用來說，MEMs傾角傳感器在成本、大小和性能上是可以勝任的。然而，在要求低漂移和高可重復(fù)性的應(yīng)用中，或者要求產(chǎn)品壽命長達(dá)數(shù)年的應(yīng)用中，電解質(zhì)型傾角傳感器被證明是更好的選擇。
電解質(zhì)型傾角傳感器的技術(shù)創(chuàng)新將繼續(xù)提高其性能和耐久性。新型厚膜基玻璃傾角傳感器在以極低的成本測量時能夠達(dá)到亞角秒級可重復(fù)性；陶瓷傳感器能夠在更高的溫度中工作；新的金屬傳感器能夠同時做到高可重復(fù)性、更大的測量角度和更小的尺寸。隨著近來創(chuàng)新的不斷出現(xiàn)，以及生產(chǎn)商的大力支持，電解質(zhì)型傾角傳感器將繼續(xù)成為令人信服的可靠的高性價比產(chǎn)品。
傾角傳感器是測量關(guān)于水平面的傾斜角的裝置，在土木建筑、水文地質(zhì)、兵器、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的用途。傾角傳感器種類繁多，按照其工作原理可以分為“固體擺”式，“液體擺”式，“氣體擺”式三種傾角傳感器。對于固體擺式傾角傳感器的研究已經(jīng)比較成熟，且應(yīng)用廣泛，但其易受外界干擾，如機(jī)械振動沖擊；而液體擺式傾角傳感器具有靈敏度高、耐腐蝕、耐潮濕等特點(diǎn)，但其致命的缺點(diǎn)是溫度變化會嚴(yán)重影響其工作特性，從而限制了液體擺式傾角傳感器的發(fā)展和應(yīng)用；氣體二手機(jī)器人擺式傾角傳感器結(jié)構(gòu)簡單，抗振動和抗沖擊能力強(qiáng)，但其受環(huán)境溫度影響較大，測試精度不高。總之，現(xiàn)有的傾角傳感器的精度需要較高的成本來提高，并存在零位偏差，時間漂移和溫度漂移等問題。
針對上述問題本文設(shè)計(jì)了一種基于自動調(diào)零理論的自動調(diào)零伺服傾角傳感器，其基本思想源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺旋轉(zhuǎn)180°找平的古老方法，并采用步進(jìn)電機(jī)及單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。這種自動調(diào)零伺服傾角傳感器能很好的解決零位偏差，時間漂移和溫度漂移等問題，使傾角傳感器的性能得到了提高，具有非常重要的應(yīng)用價值。
二、理論基礎(chǔ)
自動調(diào)零伺服傾角傳感器是設(shè)計(jì)用來校正各種來源的零位偏差和漂移。其基本思想來源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺在被測物體表面旋轉(zhuǎn)180o來找平的古老方法。如果水泡顯示了相同的結(jié)果就表示工作正常，否則就指示一個等于水泡頂點(diǎn)位置差額的一半的錯誤。在本文的應(yīng)用中，伺服傾角傳感器位于一個輸入軸IA平行于其表面的旋轉(zhuǎn)圓盤上，當(dāng)要執(zhí)行偏移校正操作時可以直接旋轉(zhuǎn)180o到圓盤的相反位置上，
傾角傳感器在零輸入（傾角傳感器的底座位于絕對水平的表面上）時的輸出由兩部分組成：
（1）偏移誤差VB定義為不依賴于傾角傳感器位置的輸出。
（2）未對準(zhǔn)誤差角e主要是由于傾角傳感器的底座沒有與測量軸線絕對平行而造成的。這樣就引起了一個與未對準(zhǔn)角度成比例的輸出電壓Ve（對于很小的角度來說，sine≈e）。
一般來說，從等式中可以看出偏移誤差和未對準(zhǔn)誤差是可以完全消除，從而可以得到真實(shí)的角度。事實(shí)上，這就是自動調(diào)零的作用。要把這些理論應(yīng)用于實(shí)踐，以下的基本條件必須滿足：
（1）在位置2時的旋轉(zhuǎn)圓盤的表面必須與位置1的表面平行。
（2）因?yàn)閮A角傳感器事實(shí)上是一個加速度計(jì)，所以在執(zhí)行誤差校正操作時儀器必須靜止，而且要盡量避免震動。
（3）在測量位置的讀數(shù)應(yīng)該在傾角傳感器的輸出達(dá)到平衡狀態(tài)時讀取。
三、系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)
根據(jù)上面提出的自動調(diào)零的理論基礎(chǔ)，要實(shí)現(xiàn)傾角傳感器的自動調(diào)零，傾角傳感器需要精確旋轉(zhuǎn)180o。經(jīng)過對各種微電機(jī)的比較，選用易于進(jìn)行精確控制的步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)平臺的旋轉(zhuǎn)，然后將屋面排水傾角傳感器精確地安裝在此平臺上。傾角傳感器在兩個相反位置上的讀數(shù)需要用足夠位數(shù)、精度和響應(yīng)速度的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后利用單片機(jī)存儲和計(jì)算最終結(jié)果。其數(shù)字輸出結(jié)果通過RS-232或者其他形式進(jìn)行輸出。
