現代測試技術作業(yè).doc

序號：10現代測試技術傳感器作業(yè)題 目： 雙軸高精度傾角傳感器SCA100T 院 系： 電信與通信工程學院 專 業(yè)： 自動化 班 級： 0 7自動化 學生姓名: 黃 帥 學 號:2009年 10月18日雙軸高精度傾角傳感器SCA100T摘要：本文介紹了芬蘭VTI公司生產的型號為SCA100T的傾角傳感器的原理、結構特性、接口等，并且介紹了該器件的一典型應用：SCA100T在鉆孔測斜儀中的應用設計，以及分析該控制系統(tǒng)中使用該芯片的優(yōu)缺點。關鍵詞：SCA100T；SPI接口；AT89S52單片機；雙軸傾角傳感1雙軸傾角傳感器SCA100T介紹SCA100T傾角傳感器是芬蘭 VTI公司 2005年最新推出的, 利用MEMS技術開發(fā)生產的高精度的雙軸傾角傳感器 , 體積小重量輕僅1.2克。MEMS（Micro electro mechanical system）是二十一世紀的前沿技術，采用MEMS技術可以在硅芯片上加工出完整的徽型電子機械系統(tǒng),包含了微型傳感器、微型機械結構、以及信號處理和控制電路、通訊接口等于一體的微型器件, 把信息系統(tǒng)的微型化、多功能化、 智能化和可靠性水平提高到新的高度 。該芯片的引腳圖及說明如下：管腳 名稱 功能1 sck 串行口時鐘輸入2 ext_1 X軸外接電容3 MISO 數據輸出4 MISI 數據輸入5 OUT2 Y軸輸出6 VSS 電源負極7 csb 片選8 ext_2 Y軸外接電容9 ST_2 Y軸測試輸入10 ST_1 X軸測試輸入11 OUT1 X軸輸出12 VCC 電源正極127891011YX1456322內容2.1工作原理該器件內部包含了一個硅敏感微電容傳感器，測量芯片在X和Y方向的加速度以及一個專用ASIC集成電路, ASIC電路集成了EEPROM存儲 器、信號放大器 、AD轉換器、溫度傳感器和SPI串行通信接口 , 組成了一個完整的數字化傳感器。有30o和90o兩種量程 ,其主要原理如下：yyabxxgg圖一 圖二圖中g代表重力加速度，x和y分別代表雙軸的重力加速度，a和b分別代表雙軸上的重力加速度與水平的夾角；芯片內部通過對x，y，g以及合成量的測量，再將信號通過一定得集成電路，將輸出量與角度線性化、數字化，這樣得出的輸出量就為隨傾角變化的分量。2.2測量的物理量及范圍雙軸高精度傾角測量可靠測量范圍：3090DIL-12塑料SMD封裝，可回流焊單電源+5V供電輸出差分模擬信號和數字信號（SPI）內置溫度傳感器（數字SPI輸出）抗振20,000g2.3應用領域及舉例2.3.1應用領域-地理:山體滑坡，雪崩-民用:大壩，建筑，橋梁，玩具，報警，運輸-工業(yè)：吊車，吊架，收割機，起重機，稱重系統(tǒng)的傾斜補償，瀝青機鋪路機等-火車：高速列車轉向架和客車車廂的傾斜測量-海事：縱傾和橫滾控制，油輪控制，天線位置控制-鉆井：精確鉆井傾斜控制-機械：傾斜控制，大型機械對準控制，彎曲控制，起重機-軍用：火炮和雷達調整，初始位置控制，導航系統(tǒng)，軍用著陸平臺控制典型應用：鉆孔測斜儀、汽車四輪定位儀、鐵道軌距尺、水庫大壩安全監(jiān)測用傾斜儀。2.3.2應用舉例：SCA100T在鉆孔測斜儀中的應用。2.3.2.1測量原理SCA100T型傾角傳感器混合電路安裝在測斜儀探管頂端，當探管處于不同位置時，傳感器的3個敏感軸會根據角度的變化而輸出相應的模擬量。然后將信號送人單片機MSC1210中，最終通過MAX 485總線傳給地面上的工控機。測量系統(tǒng)原理圖如圖1所示。SCA100T單片機MCUMsc1210工控機圖三 測量系統(tǒng)原理圖SCA100T是一種靜態(tài)加速度傳感器，當加速度傳感器的敏感軸與地面水平時，作用在它上面的只有重力加速度。重力和加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角。傳感器單軸的測量范圍是90o，通過雙軸作空間換算為了獲得最高精度，精確地描述輸出值與角度之間的關系，利用原始數據繪制的散點圖來擬合函數曲線，以傾角傳感器的X軸的輸出值為例進行采樣，推算出傾角的回歸模型。從而得出傾角大小。然后通過總線操作工控機，校正鉆孔角度。2.3.2.2誤差處理2.3.2.2.1 回歸模型的修正由于該控制系統(tǒng)存在比較大的誤差，以及輸出與傾角的線性關系的誤差。為了獲得最高精度，精確地描述輸出值與角度之間的關系，利用原始數據繪制的散點圖來擬合函數曲線，以傾角傳感器的 軸的輸出值為例進行采樣，推算出傾角的回歸模型。通過測得的標定數據進行分析，得出了傾角傳感器X軸的散點表。表一如下：由圖可知測出的2個變量角度和電壓基本成正弦變化趨勢，因此可設 軸的回歸模型為：y=a1sinx+b1作變量代換X=sin x； Y=y，得 Y=a1X+b1。則由原始試驗數據(xi ，y i)，求出對應數據( Xi，Yi)。計算出樣本相關系數：r=0.999 96。因為l r lro (17)=0.575 1，所以，認為Y與X之間的線性相關關系特別顯著，因此可以用此模型。根據實驗數據得出 軸的回歸模型為：y=0.593 103sinx+2.501 842.3.2.2.2補償方法為進一步減少誤差，可對函數進行補償，通過修正方法進行消除。因此在相同的條件下，需要反復多次進行測量。首先將傳感器的誤差計算出來做出誤差表(見表1)，然后取與誤差中最小值大小相同而符號相反的值作為修正值，將實際測得值加上相應的修正值，即可得到不包含該誤差的測量結果。但是由于修正值本身也可能包含有一定誤差，因此用修正值消除誤差的方法，不可能將全部誤差修正掉，總要殘留少量誤差，對這種殘留的誤差則應按隨機誤差進行處理。補償方法就是用SCA100T傾角傳感器測出的電壓值根據推導出的回歸模型求出sin a ，就得出了傾角測量時得到的傾角推算值a1 ，接著對a1 進行修正，得到修正后的傾角值為a2 ，并使a 2盡可能與真實傾角值 a相等在補償過程中存在著兩個問題：其一，由于傾角為0o時的誤差為負，因此在進行多項式擬合時將其歸入傾角為負中計算；其二，在90o時計算出的傾角值可能超出范圍，因此多測量幾次，找到其合適的值后，事先進行截斷處理，使整個補償過程順利進行。通過以上的誤差處理，測量結果如下：a 雙軸傾角傳感器測量傾角的實驗結果重復性很好，并且傾角的推算結果及其誤差的分布情況比較均勻，說明測量傾角的實驗條件穩(wěn)定，實驗結果可靠。b 雖然測量傾角的實驗結果和推算結果存在一定的誤差，但其誤差分布的規(guī)律性很強。運用誤差補償技術對實驗結果和推算結果進行誤差補償能起到很好的效果。e 經過對傾角傳感器的誤差校正，該傳感器基本能克服由于測量裝置的精度和漂移帶來的誤差，并且經過誤差補償的雙軸傾角傳感器的傾角測量的誤差減小了，它們的均方差最大為0.15258，誤差補償的效果非常好。d 實驗結果表明，經過誤差補償后能夠達到較高的測量精度，完全可以滿足實際傾角測量的精度要求。e 雙軸傾角傳感器在鉆孔測斜儀的應用中，共軸部分的精度問題有待進一步的提高。2.4技術指標、參考價格及生產廠家參考價格：388 RMB。生產廠家：北京神州巡天科貿有限公司。三：課程建議現代測試技術這門課程，對于我們專業(yè)來說非常重要，其中介紹了很多常用的傳感器，這些傳感器在我們今后的控制系統(tǒng)中非常重要。課堂上老師教給我們分析傳感器的方法能使我們直接受益。只是我們上課的教室沒有網絡，導致老師給我們看的一些網上視頻都無法鏈接。這些傳感器的實際應用我們也就無法進一步了解。在以后的課程中，我希望能夠了解到更多的傳感器的實際應用知識。四：取得結果及致謝正文通過這一次作業(yè)，我前后花了幾天時間。首先是在網上以及圖書館查找傳感器的型號。找了很久，恍然記起在電子競賽期間用過的傾斜傳感器，它在2007年電子競賽中尋找平衡點的應用讓我恍然覺悟了。于是乎重新找到那個芯片，開始了這次作業(yè)。由于以前用過這個芯片，寫起來也就比較順利。但是為了編排布局，也花費了不少時間。在這次作業(yè)期間，通過重新查閱資料，又加深了對這個傳感器的認識，尤其是原理的認識。以前只知道用它，現在知道原理了用起來更加得心應手了。最后感謝譚老師教給我們這么多有用的知識，讓我們學到了很多實用的知識。譚老師教學嚴謹， -五：參考文獻1 曾光奇