傾角傳感器的精度理解

　　傾角傳感器作為測(cè)量物體相對(duì)海平面的角度測(cè)量設(shè)備，已有100多年以上的歷史了。從傳統(tǒng)的水泡式水平儀，到當(dāng)前的基于加速度原理或電解液原理以及液體電容原理，已經(jīng)發(fā)展的非常的成熟，產(chǎn)品的精度不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸廣泛和專業(yè)，制造廠家也非常的多。但市場(chǎng)上出現(xiàn)的多數(shù)傾角傳感器對(duì)精度的描述，顯得含糊不清或者存在一定的偏差。

　　一般地說，按照計(jì)量法和相關(guān)國(guó)家/國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)精度的描述有總體性和確定性的描述，但這些描述具有普遍性，是否適合于傾角傳感器領(lǐng)域，值得商榷。

　　我們可以隨處在市場(chǎng)上獲得各種不同的傾角傳感器精度描述的產(chǎn)品或者供應(yīng)商，大多數(shù)是將傾角傳感器的非線性作為傳感器的測(cè)量精度，是存在一些偏差的。

　　首先，我們需要分析，影響傾角傳感器的測(cè)量精度的因素有哪些，再討論如何確定傾角傳感器的精度的定義。

　　以加速度原理的傾角傳感器為例。它是測(cè)量重力加速度在加速度傳感器敏感軸上的分量轉(zhuǎn)換成角度數(shù)據(jù)，即傾角值與加速度值成正弦關(guān)系。這個(gè)原理在很多文獻(xiàn)以及產(chǎn)品說明中給予了充分的說明。

　　從這個(gè)角度上理解，只有具有DC響應(yīng)的加速度計(jì)才能測(cè)量?jī)A斜角度。實(shí)質(zhì)上，傾角傳感器具有加速度計(jì)的屬性，因此研究加速度測(cè)量過程中產(chǎn)生的誤差來(lái)源，就可以確定傾角傳感器的誤差來(lái)源。從眾多的文獻(xiàn)資料中可以發(fā)現(xiàn)，加速度計(jì)的測(cè)量精度與以下指標(biāo)密切相關(guān)：

　　靈敏度誤差、零點(diǎn)偏置、非線性、橫軸誤差、頻率響應(yīng)、輸入軸非對(duì)準(zhǔn)性、重復(fù)測(cè)量精度、垂直軸非對(duì)準(zhǔn)性、溫度對(duì)零點(diǎn)和靈敏度的影響(含漂移和溫度曲線的重復(fù)性)、噪聲與噪聲密度等。

　　不難發(fā)現(xiàn)，重復(fù)測(cè)量精度難于補(bǔ)償，取決于核心敏感器件的自身特性;溫度曲線的重復(fù)性也取決于核心敏感器件的自身特性，難以通過補(bǔ)償來(lái)提高;靈敏度誤差也取決于核心敏感器件的自身特性，但同時(shí)與頻率響應(yīng)關(guān)聯(lián);噪聲與噪聲密度可以通過后續(xù)電路進(jìn)行硬件濾波或軟件濾波等方式降低;由于用來(lái)作為傾角傳感器的加速度計(jì)的頻率響應(yīng)一般在30Hz左右，經(jīng)過實(shí)際的測(cè)試，對(duì)靈敏度的影響很小，可以忽略不計(jì)。

　　由此可見，作為傾角傳感器的核心敏感部件的加速度計(jì)，其橫軸誤差、輸入軸非對(duì)準(zhǔn)性、垂直軸非對(duì)準(zhǔn)性、非線性需要計(jì)入到傾角測(cè)量的誤差因素內(nèi)。而不能僅對(duì)非線性進(jìn)行補(bǔ)償，而作為傾角傳感器的測(cè)量精度。

　　橫軸誤差是指當(dāng)傳感器在垂直于其靈敏軸方向施加一定的加速度或者傾斜一定的角度時(shí)耦合到傳感器的輸出信號(hào)上所產(chǎn)生的誤差。如對(duì)于測(cè)量范圍為±30°的單軸(假定X方向?yàn)閮A角測(cè)量方向)傾角傳感器，在空間垂直于X方向發(fā)生10°的傾斜時(shí)(此時(shí)實(shí)際被測(cè)量的X方向的傾斜角度保持不變，如為+8.505°)，傳感器的輸出信號(hào)會(huì)因?yàn)檫@個(gè)10°的傾斜而產(chǎn)生額外誤差，這個(gè)誤差稱為橫軸誤差。這個(gè)額外的誤差因不同的產(chǎn)品而定。當(dāng)傾角傳感器懂得橫軸誤差為3%FS,產(chǎn)生的額外誤差為3%×30°=0.9°，而傳感器實(shí)際輸出的角度簡(jiǎn)單估算為9.415°(=8.505°+0.9°)。此時(shí)，即使傾角傳感器的非線性誤差達(dá)到0.001°,相對(duì)橫軸誤差而言，這個(gè)非線性誤差可以忽略不計(jì)，也就是說，作為傾角傳感器的測(cè)量精度，不能不將橫軸誤差計(jì)算在內(nèi)，否則將引起很大的測(cè)量錯(cuò)誤。

　　允許輸入軸不重合度是指?jìng)鞲衅髟趯?shí)際安裝過程中，允許傳感器的水平(Z方向)安裝偏差，該指標(biāo)實(shí)際包含了輸入軸非對(duì)準(zhǔn)性、垂直軸非對(duì)準(zhǔn)性兩個(gè)方面的誤差。一般地，傾角傳感器在安裝時(shí)要求傾斜方向與傳感器的指定邊沿保持平行或者重合，該指標(biāo)表示可以允許有一定的安裝角度偏差而不影響傳感器的測(cè)量精度。當(dāng)傾角傳感器自身的靈敏軸與實(shí)際的傾斜方向不重合時(shí)，隨傾斜的角度增大，產(chǎn)生的額外誤差呈正弦變化。實(shí)際測(cè)試表明，當(dāng)傾角傳感器自身的靈敏軸與實(shí)際的傾斜方向的夾角超過3°，對(duì)于±30°量程±0.01°線性誤差的傾角傳感器，所產(chǎn)生的額外誤差會(huì)達(dá)到±0.3~0.5°，也遠(yuǎn)大于非線性誤差。

　　因此，對(duì)于傾角傳感器而言，其常溫測(cè)量精度應(yīng)該包含非線性、重復(fù)性、遲滯、零點(diǎn)偏置以及橫軸誤差，進(jìn)行誤差合成的計(jì)算公式為：

　　(Δ=±(非線性2+重復(fù)性2+遲滯2+零點(diǎn)偏置2+橫軸誤差2)1/2)

　　其他工作原理的傾角傳感器也應(yīng)該按照同樣的誤差計(jì)算方法來(lái)確定其精度指標(biāo)，而不能僅將非線性作為精度。

　　附錄一

　　輝格公司的SST傾角傳感器的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　SST傾角傳感器具有良好的角度測(cè)量性能，創(chuàng)造性地將橫軸誤差和零點(diǎn)偏置作為測(cè)量精度的重要組成部分，而不同于其他一般的傾角傳感器產(chǎn)品，僅將非線性作為傳感器的測(cè)量精度。同時(shí)，該傳感器為解決用戶的現(xiàn)場(chǎng)安裝困擾以及實(shí)際的傾斜方向不可能與傾角傳感器的靈敏方向完全平行或重合的實(shí)際現(xiàn)狀，特別地給出了“允許輸入軸不重合度”的參數(shù)，用戶通過這個(gè)參數(shù)，可以準(zhǔn)確地知道如何安裝以及減少安裝時(shí)間，并且同樣能獲得很好的測(cè)量精度。

　　輝格公司的SST傾角傳感器將“橫軸誤差”與“允許輸入軸不重合度”實(shí)現(xiàn)了組合應(yīng)用，極大地解決了在任意角度點(diǎn)實(shí)現(xiàn)真正準(zhǔn)確的傾斜測(cè)量：

　　1、物體的實(shí)際傾斜不可能完全按照嚴(yán)格的X和Y正交軸向發(fā)生傾斜，如機(jī)械部件的間隙、實(shí)際傾斜軸難以確定等因素決定了實(shí)際的傾斜角度不在嚴(yán)格的X、Y正交方向上。當(dāng)X軸向發(fā)生傾斜時(shí)，如果傳感器的橫軸誤差過大，則會(huì)使Y方向的傾斜角度數(shù)據(jù)發(fā)生變化，而實(shí)際上，Y軸方向可能沒有真正發(fā)生傾斜，反之亦然。因此，針對(duì)普通的傾角傳感器的3~5%的橫軸誤差，即使線性度再高，其實(shí)際的測(cè)量精度也將在3~5%左右，而不是線性度數(shù)據(jù)。

　　2、如傳感器在實(shí)際安裝過程中，沒有“允許輸入軸不重合度”數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單的目測(cè)是難以獲得真正準(zhǔn)確的傾斜數(shù)據(jù)。過大的傳感器靈敏軸與實(shí)際運(yùn)動(dòng)傾斜方向的偏差角度，將會(huì)使傳感器的輸出上額外產(chǎn)生一個(gè)“正弦誤差”疊加到輸出數(shù)據(jù)上。隨著傾斜角度的增大，誤差也逐漸增大。

　　輝格公司的SST系列傾角傳感器良好地解決了以上的實(shí)際問題，是真正實(shí)現(xiàn)高精度傾角測(cè)量的產(chǎn)品。

　　附錄二

　　輝格公司在傾角測(cè)量方面的核心能力介紹

　　1、我們的任何一款傾角傳感器的外殼都經(jīng)過模態(tài)測(cè)試，不是簡(jiǎn)單地將傳感器的核心部件安裝在任意外殼內(nèi)進(jìn)行封裝后就成為產(chǎn)品的。

　　2、我們的任何一款傾角傳感器的PCBA板是經(jīng)過模態(tài)測(cè)試，從根本上解決振動(dòng)所引起的諧振對(duì)傳感器濾波的影響。

　　3、我們的任何一款傾角傳感器的測(cè)試是嚴(yán)格按照國(guó)內(nèi)和國(guó)際的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，包括GB、GJB、MIL、IEC、ISO、EN等。

　　4、我們?cè)趦A角測(cè)量領(lǐng)域獲得近20項(xiàng)各種發(fā)明專利、實(shí)用新型專利、外觀專利與軟件著作權(quán)。

　　5、我們的任何一款傾角傳感器采用專利的自動(dòng)測(cè)試技術(shù)，減少人為干擾對(duì)質(zhì)量的影響，并保持質(zhì)量的一致性。

　　6、我們能提供世界上精度最高的傾角傳感器，可以達(dá)到±5角秒@-40~85℃全溫度內(nèi)的綜合精度，12個(gè)月的零點(diǎn)穩(wěn)定性達(dá)到±3.6角秒。我們還在進(jìn)一步提高中。

　　7、我們是世界第一個(gè)將傾角傳感器技術(shù)與ipad、iPhone結(jié)合一起的供應(yīng)商，大大提高用戶的便利性和節(jié)省成本。

　　8、我們是世界第一個(gè)提出“降低用戶使用成本”的傾角傳感器供應(yīng)商，100余種配件極大地降低了用戶的施工和調(diào)試時(shí)間與成本。

　　9、我們是世界上能提供傾角傳感器品種最多的并擁有自己研發(fā)能力的企業(yè)，可以為客戶定制絕大多數(shù)特殊要求的傾角測(cè)量產(chǎn)品。我們能提供近30種各類工業(yè)通用和軍事/航空航天專用接口。

　　10、我們也是世界上專業(yè)從事傾角傳感器最大的企業(yè)，近50人的規(guī)模可以與快速為客戶提供各種服務(wù)。