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如何提高倾角测量精度?三轴倾角测量解决方案这样赋能2020年01月13日

ADI公司

倾角测量技术专门用于测量物体相对于水平位置的倾斜度,在实际应用中随处可见。随着生产和科学的不断发展,倾角测量越来越广泛的应用于工业科研、汽车、能源收集利用、医疗保健、消费电子等各领域。加速度传感器是测量物体倾斜角度的常用器件,面对需求越来越大的市场需求,如何提高倾角测量的精度,成为众多传感器厂商竞相研究的重点。
 


图1 倾角测量涉及广泛的应用场景

ADI公司的高精度倾角监测模块ADXL357是ADI最新推出的高精度、低噪声、低功耗的完整三轴倾角测量解决方案,得益于传感器的高性能及模块集成的ADI校正及对齐算法,该模块测量分辨率为0.001°,精度可达±0.05°,短时漂移优于0.005°,传感器在全速工作时只需要200uA电流,非常适合电池供电的场所。

这些精密操作离不开倾角监测

倾角监测在手势识别接口中有着巨大的潜力。例如,在建筑或工业检测设备等应用中单手操作可能更适用。不操作设备的那只手可以控制操作员站立的铲斗或平台,或者可能握持系绳以保证安全。操作员只需“旋转”探针或设备即可调节设置。在这种情况下,三轴加速度计会将旋转检测为倾斜:测量倾角在重力条件下的低速变化,检测重力向量的变化,并确定方向是顺时针还是反时针。

倾斜检测也可以与轻击(冲击)识别结合起来,以便操作员能单手控制设备的更多功能。设备位置补偿是倾斜测量的又一个重要用武之地。以GPS(全球定位系统)或手机中的电子罗盘为例。这里有一个著名的问题,即在罗盘不与地球表面完全平行时,结果产生的首向误差问题。

工业电子秤是另一个例子。在该应用中,必须计算装载桶相对于地球的倾角,以获得准确的重量读数。压力传感器(如汽车和工业机器中使用的传感器)同样存在重力影响问题。这些传感器含有薄膜,其挠度会随传感器安装位置而变化。在所有这些情况下,MEMS加速度计会进行必要的倾角检测,对误差进行补偿。

倾角监测和MEMS

加速度、振动、冲击、倾斜和旋转实际上都是加速度在不同时间段的不同表现。当物体因运动改变倾角时,其相对于重力的位置会发生一定的变化。与振动和冲击相比,这种运动一般非常缓慢。MEMS加速度计通过测量重力在加速度计轴上产生的作用来监测倾角。在三轴加速度计中,用三个独立的输出来测量X、Y和Z三个运动轴上的加速度。



图2 独立倾斜监测的角度

倾角监测一般分为两种,一种是静态倾角监测,如楼宇、山体滑坡等的倾角监测,另一种就是大量程动态倾角监测,比如大的无人机在飞行过程中振动比较大,这种条件下依然要监测倾角。对MEMS加速度计而言,精确的倾角监测是一种要求颇高的应用,尤其是在有振动的动态环境中进行倾斜测量,需要g值范围较高的加速度计,比如ADXL357。有限g值范围的加速度计测量可能会削波,导致输出失调增加。引起削波的原因可能是灵敏轴在1g重力场中,或者是发生上升时间快但衰减慢的冲击。较高的g值范围可减少加速度计削波,从而降低失调,在动态应用中提供更好的倾斜精度。

ADXL357是一款低噪声、低漂移、低功耗三轴MEMS加速度计,可实现高频低噪声性能,提供高分辨率振动测量,可在状态监控应用中尽早检测出机器故障。该器件不仅性能出色,功耗也极低,因而是无线传感器网络的理想之选。此外,该产品还可在高冲击和高振动的环境下提供精确可靠的倾斜测量,不会造成传感器饱和。对于重型设备或无人驾驶飞机(UAV)等机载平台的倾斜测量而言,这一点非常重要。作为ADI公司高性能传感器技术的最新典范,ADXL357可为物联网(IoT)用途提供高质量的数据,支持从网络边缘进行智能检测。



图3 传感器ADXL357框图

数字输出的ADXL357提供可选测量范围是±10g、±20g和±40g,灵活度更高;噪声密度为80µg/root Hz,处于业界领先水平,在温度范围内的0g失调漂移保证上限为0.75mg/C,只需极少量的校准工作即可实现精密测量。此外,产品采用密封封装,可以确保最终产品出厂后重复性与稳定性始终符合其规格参数。ADXL357体积小巧,集成度高,功耗低,仅需200uA的电流,在状态监控的无线网络、无人驾驶飞机等机载平台、物联网等电池供电应用中能够延长电池寿命。 

结论

倾角监测正迅速成为许多领域的基本分析工具,包括汽车、工业和医疗保健,导航、车辆动态控制、建筑倾斜指示和运动检测系统都依赖这种简单、低成本且精确的角度监控方式。MEMS加速度计比其它方法更适合进行倾角测量。ADI的高精度倾角监测模块由高性能低功耗Cortex-M4处理器ADuCM4050、三轴MEMS加速度计ADXL357和电源组成,处理器集成了传感器数据的所有处理过程,包括传感器校正、数据滤波、倾角解算、零点归零等。这些算法都以标准库的形式提供,方便用户进行二次开发。

该解决方案在智能城市中有广泛的应用场景,如城市井盖倾斜监测、城市路灯倾斜预警、广告牌倾斜预警、城市桥梁状态监测、城市管道倾斜度检测、电力、通信铁塔抗台风监测、太阳能跟踪器等。ADI赋予这些应用以高性能的倾角测量能力,能够降低各种事故发生的概率,极大地保护人民生命财产安全,进一步提高城市的智能化水平,为智慧城市奠定感官基础。 

 

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