基于SCA100T倾角传感器的姿态传感器设计

2015-01-09汪雪莲

声学与电子工程 2015年3期

关键词：摆式摆幅双轴

汪雪莲

(第七一五研究所，杭州，310023)

基于SCA100T倾角传感器的姿态传感器设计

汪雪莲

(第七一五研究所，杭州，310023)

分析了倾角传感器的工作原理，描述了SCA100T系列倾角传感器的性能特征，并介绍了全方位低摆幅、单方向全摆幅倾角传感器的设计方法。

传感器；倾角测量；全方位低摆幅；单方向全摆幅

倾角传感器用来测量相对水平面的倾角变化量，理论基础是牛顿第二定律。目前就倾角传感器产品而言，一般是单轴或双轴，最大测量摆幅范围都在±90°之内，仅能提供单轴或双向轴向的倾角测量。但在实际应用中，有些场合需要实现对工作台面360°但倾角范围很小的倾角测量，即低摆幅全方位倾角测量：例如，海上石油钻井平台、吊放声纳水下声基阵等水上移动或浮动平台的姿态监测。另外，有些场合还需要进行单方向360°的姿态测量，即实现单方向全摆幅姿态监控：例如，太阳能感光板向光控制、拖曳线阵阵形监测等，都需要大幅度角度监测。本文介绍了采用双轴摆幅范围在±90°的倾角传感器SCA100T实现测量全方位低摆幅和单方向全摆幅（±180°）姿态传感器的设计方法。

1 倾角测量原理

倾角传感器按工作原理可以分为固摆式、液摆式、气摆式三种。固摆式倾角传感器敏感物质是摆锤的质量，由于具有明确的摆长和摆心，其产品的精度和抗过载能力较高，但体积大，因此使用受到一定限制。气摆式倾角传感器内，气体是密封腔中唯一运动体，它的质量小，在大的冲击和高过载时产生的惯性也小，所以具有较强的抗振动或冲击的能力，但气体运动控制较为复杂，影响因素比较多，因此精度不高。液摆式倾角传感器介于两者之间且系统稳定，在高精度系统中广泛应用，国内外的产品多为此类。

对于单轴倾角传感器，如果传感器方向和重力加速度方向垂直时倾角为0°，与重力加速度方向重合时倾角为90°，其他方向倾斜角为θ，位置变换如图1。设传感器测量结果为F（θ），则：

传感器方向和重力加速度方向重合时倾角为0°，与重力加速度方向垂直时为90°，再将它倾斜θ角，位置变换如图2。

图2 倾角传感器位置示意图

则：

式(1)、 (2)中θ角为倾斜角，g为重力加速度，Hm传感器输出灵敏度。

图1倾斜角度小时精度高，当倾角接近90°时，分辨率低、精度不高；而图2中倾角接近90°时，精度高，当倾斜角度小时，分辨率低、精度不高。

单轴传感器只能测量一个方向最大±90°范围的倾角，而且在0°或90°时误差增大。如需高精度、多方位、全摆幅的测量，必须用到双轴或三轴倾角传感器。

2 SCA100T倾角传感器简介[1]

单轴或双轴倾角传感器不能直接实现全方位低摆幅和单方向全摆幅姿态监控需求，但双轴倾角传感器按合适位置安装和数学解算可以实现。

SCA100T倾角传感器是由芬兰VTI生产的双轴倾角传感器系列，属于固摆式倾角传感器，具有固摆式的所有优点。主要技术参数如下：防冲击性能好，能承受超过20 000 g的冲击；内部增加机械阻尼设计，吸收高频振动；实现全温度补偿；采用微机电（MEMS）技术，体积小。

如果倾角传感器水平安装，倾角的计算公式为：

式中Uout为输出电压，offset为输出直流偏置，约为2.5 V，sensitivity表示传感器输出灵敏度，SCA100T-DO1（±30°）为4 V/g， SCA100T-DO2（±90°）为2 V/g 。

2.1 全方位低摆幅姿态传感器

全方位低摆幅姿态传感器通过将SCA100T双轴倾角传感器水平安装在测量平面上，通过对测量角几何换算实现。双轴倾角传感器水平安装如图3示。

图3 全方位姿态测量传感器示意图

如图3，在任意角度为轴（V轴）倾斜θ角的状态下X轴和Y轴输出量分别为ux和uy，二者的合成矢量为Uv则：

由（1）可得：

式（5）中g是以重力作为参考的加速度值；2 V /g是SCA100T传感器的灵敏度。

2.2 单方向全摆幅姿态传感器设计

将双轴倾角传感器SCA100T垂直安装在测量平面上，在X轴向上以Y轴为旋转轴进行全摆幅（± 180°）的倾角测量，示意图如图4。图中，X轴倾斜θ角的状态下X轴和Y轴输出量分别为ux和uy，则：

（1）当−90°＜θ＜90°即uy＞0时

（2）当ux≥0，uy=0时：θ=90°

（3）当ux＜0，uy=0时：θ=−90°

（4）当90°＜θ＜180°，即uy＜0，ux≥0时：

（5）当−180°＜θ＜−90°，即uy＜0，ux＜0时：

图4 单方向全摆幅倾角测量示意图

3 电路实现方法

姿态传感器电路主要包括误差修正放大电路、A/D变换与信号处理电路、输出接口等组成，组成框图如图5。

图5 姿态传感器电路组成框图

3.1 误差修正放大电路

误差修正放大电路主要功能是消除零点误差并根据电路的供电电压对传感器的灵敏度适当放大，最大可能提高电路输出电压增加电路的抗干扰性。同时放大电路可通过微调放大量，调整传感器两轴输出灵敏度不一致带来的误差。

倾角传感器输出的信号是慢变化的直流信号，因此放大器应该是直流放大器，其核心是低零点漂移和小增益误差。为保证电路的性能，采用BB公司的INA118，其具有低零点漂移、增益稳定性好等优点，经常用于精密仪器电路和测控电路中。主要性能指标[2]：低零点漂移电压：最大50 μV；低温度漂移：最大0.5 μV/℃；低输入偏置电流：最大5 nA；高共模抑制比：最小110 dB；宽范围供电：± 1.35 V～±18 V；高增益稳定性：G=100时，误差小于±0.5%。

SCA100T-DO2（±90°）双轴倾角传感器直流输出范围在0～4.5 V，偏置电压约为2.5 V。由于加工或供电等原因，每一片的输出偏置电压、输出灵敏度存在差异，影响到姿态测量精度，误差放大电路可以精确消除这部分误差，原理图如图6。

图6 误差放大电路原理图

放大电阻RG可以根据电路需要设定直流放大器的输出范围，设计中最大输入范围由A/D变换的最大值决定。这样能最有效利用A/D电路的动态范围，最大程度的提高电路的抗干扰性。Rt1可以微调直流放大电路的增益，能将两路倾角传感器的输出灵敏度调整到同一值，减少由此带来的误差。零点修正电路通过精确调整仪用差分放大器的负端相减电压，使倾角传感器敏感轴水平时输出直流电压为零，即不仅将倾角传感器的直流偏置电压调零，也消除了由偏置电压不一致引起的误差。

设计中，为保证电路的可靠性和稳定性，增益调整电路按90%固定增益，10%可调整来设计。

3.2 A/D变换与信号处理电路

A/D变换与信号处理电路主要是将误差放大器输出的直流信号进行A/D变换采集并进行角度解算，输出姿态角信息。A/D变换用Burr-Brown公司生产的ADS7825[3]实现，角度解算选用TI 2000系列的TMS320F2812完成。

AD变换电路采用ADS7825是因为具有极宽的输入范围。在单电源+5 V供电情况下，支持双极性输入，最大输入范围达到±10 V。考虑到电源供电电压和线性安全范围，姿态传感器误差放大电路增益设定为2倍，输出范围为±4 V，有效地提高了传感器电路的稳定性和抗干扰性。