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倾角传感器的精度理解

--倾角传感器的精度理解

供稿:上海辉格科技发展有限公司 2012/6/18 17:30:58

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倾角传感器作为测量物体相对海平面的角度测量设备,已有100多年以上的历史了。从传统的水泡式水平仪,到当前的基于加速度原理或电解液原理以及液体电容原理,已经发展的非常的成熟,产品的精度不断提高,应用领域也逐渐广泛和专业,制造厂家也非常的多。但市场上出现的多数倾角传感器对精度的描述,显得含糊不清或者存在一定的偏差。
一般地说,按照计量法和相关国家/国际标准,对精度的描述有总体性和确定性的描述,但这些描述具有普遍性,是否适合于倾角传感器领域,值得商榷。
我们可以随处在市场上获得各种不同的倾角传感器精度描述的产品或者供应商,大多数是将倾角传感器的非线性作为传感器的测量精度,是存在一些偏差的。
首先,我们需要分析,影响倾角传感器的测量精度的因素有哪些,再讨论如何确定倾角传感器的精度的定义。
以加速度原理的倾角传感器为例。它是测量重力加速度在加速度传感器敏感轴上的分量转换成角度数据,即倾角值与加速度值成正弦关系。这个原理在很多文献以及产品说明中给予了充分的说明。
从这个角度上理解,只有具有DC响应的加速度计才能测量倾斜角度。实质上,倾角传感器具有加速度计的属性,因此研究加速度测量过程中产生的误差来源,就可以确定倾角传感器的误差来源。从众多的文献资料中可以发现,加速度计的测量精度与以下指标密切相关:
灵敏度误差、零点偏置、非线性、横轴误差、频率响应、输入轴非对准性、重复测量精度、垂直轴非对准性、温度对零点和灵敏度的影响(含漂移和温度曲线的重复性)、噪声与噪声密度等。
不难发现,重复测量精度难于补偿,取决于核心敏感器件的自身特性;温度曲线的重复性也取决于核心敏感器件的自身特性,难以通过补偿来提高;灵敏度误差也取决于核心敏感器件的自身特性,但同时与频率响应关联;噪声与噪声密度可以通过后续电路进行硬件滤波或软件滤波等方式降低;由于用来作为倾角传感器的加速度计的频率响应一般在30Hz左右,经过实际的测试,对灵敏度的影响很小,可以忽略不计。
    由此可见,作为倾角传感器的核心敏感部件的加速度计,其横轴误差、输入轴非对准性、垂直轴非对准性、非线性需要计入到倾角测量的误差因素内。而不能仅对非线性进行补偿,而作为倾角传感器的测量精度。
横轴误差是指当传感器在垂直于其灵敏轴方向施加一定的加速度或者倾斜一定的角度时耦合到传感器的输出信号上所产生的误差。如对于测量范围为±30°的单轴(假定X方向为倾角测量方向)倾角传感器,在空间垂直于X方向发生10°的倾斜时(此时实际被测量的X方向的倾斜角度保持不变,如为+8.505°),传感器的输出信号会因为这个10°的倾斜而产生额外误差,这个误差称为横轴误差。这个额外的误差因不同的产品而定。当倾角传感器懂得横轴误差为3%FS,产生的额外误差为3%×30°=0.9°,而传感器实际输出的角度简单估算为9.415°(=8.505°+0.9°)。此时,即使倾角传感器的非线性误差达到0.001°,相对横轴误差而言,这个非线性误差可以忽略不计,也就是说,作为倾角传感器的测量精度,不能不将横轴误差计算在内,否则将引起很大的测量错误。
   允许输入轴不重合度是指传感器在实际安装过程中,允许传感器的水平(Z方向)安装偏差,该指标实际包含了输入轴非对准性、垂直轴非对准性两个方面的误差。一般地,倾角传感器在安装时要求倾斜方向与传感器的指定边沿保持平行或者重合,该指标表示可以允许有一定的安装角度偏差而不影响传感器的测量精度。当倾角传感器自身的灵敏轴与实际的倾斜方向不重合时,随倾斜的角度增大,产生的额外误差呈正弦变化。实际测试表明,当倾角传感器自身的灵敏轴与实际的倾斜方向的夹角超过3°,对于±30°量程±0.01°线性误差的倾角传感器,所产生的额外误差会达到±0.3~0.5°,也远大于非线性误差。
因此,对于倾角传感器而言,其常温测量精度应该包含非线性、重复性、迟滞、零点偏置以及横轴误差,进行误差合成的计算公式为:
(Δ=±(非线性2+重复性2+迟滞2+零点偏置2+横轴误差21/2)
其他工作原理的倾角传感器也应该按照同样的误差计算方法来确定其精度指标,而不能仅将非线性作为精度。
 
 
附录一
辉格公司的SST倾角传感器的核心技术优势
     SST倾角传感器具有良好的角度测量性能,创造性地将横轴误差和零点偏置作为测量精度的重要组成部分,而不同于其他一般的倾角传感器产品,仅将非线性作为传感器的测量精度。同时,该传感器为解决用户的现场安装困扰以及实际的倾斜方向不可能与倾角传感器的灵敏方向完全平行或重合的实际现状,特别地给出了“允许输入轴不重合度”的参数,用户通过这个参数,可以准确地知道如何安装以及减少安装时间,并且同样能获得很好的测量精度。
 辉格公司的SST倾角传感器将“横轴误差”与“允许输入轴不重合度”实现了组合应用,极大地解决了在任意角度点实现真正准确的倾斜测量:
1物体的实际倾斜不可能完全按照严格的X和Y正交轴向发生倾斜,如机械部件的间隙、实际倾斜轴难以确定等因素决定了实际的倾斜角度不在严格的X、Y正交方向上。当X轴向发生倾斜时,如果传感器的横轴误差过大,则会使Y方向的倾斜角度数据发生变化,而实际上,Y轴方向可能没有真正发生倾斜,反之亦然。因此,针对普通的倾角传感器的3~5%的横轴误差,即使线性度再高,其实际的测量精度也将在3~5%左右,而不是线性度数据。
2如传感器在实际安装过程中,没有“允许输入轴不重合度”数据,简单的目测是难以获得真正准确的倾斜数据。过大的传感器灵敏轴与实际运动倾斜方向的偏差角度,将会使传感器的输出上额外产生一个“正弦误差”叠加到输出数据上。随着倾斜角度的增大,误差也逐渐增大。
辉格公司的SST系列倾角传感器良好地解决了以上的实际问题,是真正实现高精度倾角测量的产品。
 
附录二
辉格公司在倾角测量方面的核心能力介绍
1我们的任何一款倾角传感器的外壳都经过模态测试,不是简单地将传感器的核心部件安装在任意外壳内进行封装后就成为产品的。
2我们的任何一款倾角传感器的PCBA板是经过模态测试,从根本上解决振动所引起的谐振对传感器滤波的影响。
3我们的任何一款倾角传感器的测试是严格按照国内和国际的相关标准执行,包括GB、GJB、MIL、IEC、ISO、EN等。
4我们在倾角测量领域获得近20项各种发明专利、实用新型专利、外观专利与软件著作权。
5我们的任何一款倾角传感器采用专利的自动测试技术,减少人为干扰对质量的影响,并保持质量的一致性。
6我们能提供世界上精度最高的倾角传感器,可以达到±5角秒@-40~85℃全温度内的综合精度,12个月的零点稳定性达到±3.6角秒。我们还在进一步提高中。
7我们是世界第一个将倾角传感器技术与ipad、iPhone结合一起的供应商,大大提高用户的便利性和节省成本。
8我们是世界第一个提出“降低用户使用成本”的倾角传感器供应商,100余种配件极大地降低了用户的施工和调试时间与成本。
9我们是世界上能提供倾角传感器品种最多的并拥有自己研发能力的企业,可以为客户定制绝大多数特殊要求的倾角测量产品。我们能提供近30种各类工业通用和军事/航空航天专用接口。
10我们也是世界上专业从事倾角传感器最大的企业,近50人的规模可以与快速为客户提供各种服务。

更多内容请访问 上海辉格科技发展有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=47033)

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