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微机电系统(MEMS)

mems_starting

MEMS倾角仪测量原理

倾角仪,又称倾斜传感器、测角仪或坡度传感器,它可在重力作用下,测量物体的角度。随着微机电系统(MEMS)制造技术的进步,MEMS传感器因其性能优异,性价比高的特性,开始大量进入市场。

这类倾角仪的基本原理是在完全定型的专用集成电路(ASIC)中内置一个微机电系统(MEMS)传感器单元。

mems_principle

图 1:MEMS 传感器的原理

icon_1 检测质量
icon_2 电极
3 弹簧
4 固定电极

用一个有两个电极的简单模型就能轻而易举地解释MEMS 传感器的作用。简易模型中采用的电极一个为固定电极,而与弹簧元件相连的另一个为弹性电极(检测质量)(参照图1)。

当倾角仪处于水平位置时(请参阅图 2.1 ),测量电极间的相应电容量。如果传感器发生倾斜(请参阅图 2.2 ),弹性电极将改变它和固定电极的相对位置,而传感器单元所测量到的两个电极之间的电容量也相应发生改变。电容量的变化转换为相应的倾斜值。

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图2: MEMS传感器的位置

icon_1 处于水平位置的MEMS传感器
icon_2 处于倾斜位置的MEMS传感器

MEMS加速计的工作原理与MEMS传感器的工作原理相类似,并且已经在许多工业和商业应用中得以验证,如手机的运动传感器和汽车安全气囊中。然而诸如此类的消费应用需要低品位加速单元,而这类加速计的其精确度往往不超过1度。与低品位消费倾角仪单元相反,TILTIX倾角仪MEMS传感器由一个精确的电极阵列构成,能改善测量的分辨率和精确度。

TILTIX系列倾角仪有两种型号的产品可供选择。一种产品为单轴型,其测量的倾斜角度在0-360°度(顺时针或逆时针)的范围内;另一种是双轴型,其测量的角度在 ± 80 °斜度范围内。

静态倾角仪的劣势

如果有强烈的冲击或者震动,静态倾角仪中的物理阻尼可能不足以抑制外部的干扰。使用软件滤波方法过滤振动和冲击带来的干扰,只是很有限的减少这种干扰带来的影响。对于静态倾角仪,可以使用“平均”或“指数”滤波器,并将抖动的信号过滤位配置为平滑信号。但是,这种滤波之后的信号,会影响倾角仪的快速反应时间,传感器的响应速度变慢,造成数据信号输出滞后。

在生产过程中,人们采用标准测量来确定MEMS传感器的非线性关系, 并将这些非线性关系作为一套校准数据存储在传感器中。在操作过程, 博思特的动态倾角仪适用于加速度很大的工况,且有强烈振动或者强冲击的工作环境,博思特的动态倾角仪基于新研发的技术,此技术不同于静态倾角仪的工作原理,动态倾角仪没有物理阻尼,因此可以保证信号的稳定性,同时也保证了信号的实时性。

动态倾角仪

对于突然运动的工况、或者有较强的冲击和振动的应用来说,具有快速响应和稳定信号输出的传感器是及其重要的。博思特的动态倾角仪结合了两种不同的MEMS传感器的测量原理:3D加速度传感器和3D陀螺仪。3D加速度传感器没有阻尼(与静态倾角仪的工作原理不同),可以反馈快速的运动状态。同时,3D陀螺仪根据惯量原理测量角速度。加速度计和陀螺仪的信号相组合,补偿由于加速度产生的影响。因此,动态倾角仪可以可靠地用于,工程机械、采矿设备、起重机等移动设备或机器人应用中。下图比较了,动态倾角仪和传统静态倾角仪,在受到强冲击和振动时,两种传感器动态运动时的输出性能。

移动挖掘机的倾角测量

tilt_measurement

创新性的算法带来可靠结果

加速度计测量倾斜位置,而陀螺仪确定角速度。加速度对加速度计有很大的影响,但对陀螺仪的测量角速度只有很有限的影响。创新的算法结合了角速度和加速度两个信号,这样,传感器能够将实际位置与外部加速度引入的误差分开,获得信号的最佳值。

accelerometer_gyroscope

测量范围和安装事宜

可选如下两种版本的倾角仪,单轴或者双轴

1. 用于水平安装的双轴传感器。双轴倾角传感器,输出一个是X轴,另一个是y轴。每个轴显示相对于水平面的倾斜角。

dual_axis_sensor

2. 单轴倾斜,用于垂直安装,测量单轴输出。

single_axis_sensor

动态倾角仪的附加功能

动态倾角仪的主要目的是提供稳定的倾角数据,而不需要配置其余复杂的参数。对于具有CANopen接口的动态测斜仪,也可以针对三个轴中的每一个轴,均可以反馈输出加速度(加速度计)和角速度(陀螺仪)。这些二外的数据,存储在可映射的CANopen对象字典地址中。

可以监控传感器输出的单轴或者多个轴的加速度,控制器侧即可以实现对附加功能的监控,达到更高的安全特性。当超过某一加速度阈值时,控制器可以停止机器运转。也可利用关于x轴的角速度,测量和监测机器的水平(偏航)旋转。取决于机器制造商或系统集成商来决定如何使用传感器的附加功能(加速度,角速度)。

MEMS传感器芯片的制作

由于微电子机械系统(MEMS)制造技术的进步,这种类型的传感器已经是性价比很高的大规模市场产品。倾角仪中的基本测量元件MEMS传感器,完全嵌入在封装的ASIC中。

规格参数

传感器周期时间: 传感器的内部的循环时间。5ms的周期时间意味着位置值每5ms更新一次。

接口周期时间: 通过通信接口传输位置值的周期时间。与传感器周期时间(固定值)相反,接口周期时间可以由用户通过Canopen协议容易地调整。

绝对精度: 绝对精度是传感器测量位置和实际位置之间的偏差。

偏移量: 当倾角仪位于零位时,输出将显示一个小的偏差。在零位的这个误差称为偏移误差。

动态精度: 动态精度取决于绝对精度,只是设备受到外部振动和加速度的影响。在模拟移动机械运动环境的不同设备上进行实验室试验,得以确定动态精度。所述动态精度作为参考值;我们建议您评估自己的应用工况上的动态精度,因为不同应用工况的振动和冲击不同。我们采用如下实验室数据,用下列设备进行:

  • 线性加速度:传感器在单轴上加速,速度为10米/秒,超过1s。
  • 振动:不同振动频率在1-1000赫兹之间,力为1g

分辨率: 可以分辨的最小角度

滞后: 滞后的定义是系统的输出值,不仅取决于当前输入,还取决于过去的输入。对于倾角传感器,这意味着所测量的倾斜角度也依赖于过去的位置。倾角仪从0°倾斜到10°或从20°倾斜到10°,会有一个很小的差别。这种差异是由滞后现象产生的。

温度漂移: 这个值描述了测量的倾斜角度随温度变化的变化。如果倾角仪处于静止位置,并且温度降低或增加,则输出值也将根据温度漂移而变化。

设置时间: 这是一个描述系统动态行为的值。设置时间定义了倾角仪信号到达的实际位置所需要的时间,停留在实际位置的5%范围以内。

settling_time