倾角传感器规格
倾角传感器，也称为倾斜传感器、测斜仪或坡度传感器，用于测量物体相对于重力方向的角度。这些倾角或水平传感器可检测俯仰角和/或横滚角，并通过相应的电气接口输出这些数值。
MEMS倾角传感器的测量原理
倾角传感器通过加速度计测量物体相对于重力方向的倾斜角。加速度计监测重力对一个悬挂在弹性支撑结构中的微小质量的作用。当设备倾斜时，该质量会发生轻微移动，从而引起其与支撑结构之间的电容变化。倾斜角由测得的电容值计算得出。
配重质量
电极
弹簧
固定电极
图 1：MEMS 传感器的原理图
该功能可以通过一个简化模型来说明：模型中包含两个电极，一个固定，另一个（配重质量）可移动，并由弹簧元件悬挂（见图1）。当倾角传感器处于水平位置时（图2.1），测量两个电极之间的电容值。如果传感器发生倾斜（图2.2），可移动质量及其电极将相对于固定电极发生位移。传感器单元将测量这种电容变化，并用于计算新的倾斜角度值。
MEMS 传感器处于水平位置
MEMS 传感器处于倾斜位置
图 2：MEMS 传感器的位置
Limitations of Static Inclinometers
在强烈冲击和振动的情况下，静态倾角传感器的物理阻尼可能不足以抑制干扰。软件滤波器在降低此类干扰影响方面的作用也有限。对于静态 TILTIX 倾角传感器，可以启用并配置“移动平均”或“指数”滤波器以平滑信号，但其缺点是会丧失 MEMS 倾角传感器的快速响应能力，导致传感器反应变慢。
对于具有强加速度的动态运动，应使用 POSITAL 的动态 TILTIX 倾角传感器。它们基于不同的技术，不依赖物理阻尼，因此在稳定性和响应时间之间不存在权衡。
动态倾角传感器
在可能出现剧烈运动、冲击和振动的应用中，传感器必须具备快速响应能力和清晰的信号输出。POSITAL 的动态倾角传感器结合了两种不同的测量原理，采用两个独立的 MEMS 传感器：一个三维加速度传感器和一个三维陀螺仪。该加速度传感器未经过物理阻尼处理（与静态倾角传感器不同），因此能够准确跟踪快速动态运动。同时，三维陀螺仪利用惯性原理测量旋转速度。通过将加速度计与陀螺仪的信号融合，动态 TILTIX 倾角传感器能够补偿加速度引起的误差，实现高精度角度测量。由此，动态倾角传感器可广泛应用于建筑机械、矿山设备、起重机以及机器人等移动设备中，性能可靠。
下图比较了集成陀螺仪的动态倾角传感器与传统静态倾角传感器在经历剧烈冲击和振动的动态运动条件下的性能差异。
移动挖掘机上的倾斜角测量
用于可靠结果的创新算法
在存在剧烈运动、冲击和振动的应用中，传感器必须具备快速响应能力和清晰的信号输出。POSITAL 的动态倾角传感器结合了两种测量原理，采用两个不同的 MEMS 传感器：三维加速度传感器和三维陀螺仪。与用于静态倾角传感器的阻尼单元不同，该三维加速度传感器未经过物理阻尼处理，因此能够跟踪快速的动态运动。同时，三维陀螺仪基于惯性原理测量旋转速度。通过将加速度计与陀螺仪的信号融合，动态 TILTIX 倾角传感器能够全面补偿加速度造成的影响，实现准确的倾角测量。因此，该系列产品可以广泛应用于建筑机械、矿山设备、起重机以及机器人等移动设备中。
下图展示了当动态倾角传感器（集成陀螺仪）与传统静态倾角传感器同时受到剧烈冲击和振动影响时，两者在动态运动中的性能对比。
量程与安装选项
TILTIX 系列倾角传感器提供两种型号。
双轴
一种用于水平安装的双轴传感器。该型号提供两个输出，分别对应 X 轴和 Y 轴。每个轴测量相对于重力方向的倾斜角度。
单轴
2. 一种用于垂直安装的单轴倾角测量版本，具有一个轴的输出。
动态倾角传感器的附加功能
动态倾角传感器的主要目的是在无需配置任何传感器参数的情况下，提供稳定的倾斜角数据。然而，对于具有 CANopen 接口的动态倾角传感器来说，也可以分别输出三轴的加速度（加速度传感器）和旋转速度（陀螺仪）。这些测量值被存储在可映射的 CANopen 对象中。
沿一个或多个轴监控加速度可以用于在控制器端实现附加功能或安全特性。例如，当某个加速度阈值被超出时，控制器可以停止机器。
通过获取 x 轴的旋转速度信息，还可以测量和监控机器在水平（偏航）方向上的旋转。
如何利用这些附加信息由设备制造商或系统集成商决定。
数据处理
高性能微控制器用于实时评估传感器信号并计算修正后的倾角。同时测量温度并由补偿算法进行修正，以消除不必要的影响。智能数字滤波算法可在各种环境条件下有效降低环境噪声和振动，确保信号的精确性与稳定性。
在生产过程中，通过一系列参考测量识别出 MEMS 传感器的非线性误差，并将这些非线性数据作为校准数据存储在传感器内部。在运行时，校准数据用于修正 MEMS 的原始值，从而输出准确线性的倾角。
用户还可以根据需求设置自定义参数，如偏移修正（Preset）和比例缩放（适用于模拟输出信号）。
常用规格
传感器周期时间
这是基础传感器的内部周期时间。5 ms 的周期意味着位置值每 5 ms 更新一次。
接口周期时间
这是通过通信接口传输位置值的周期时间。与固定的传感器周期时间不同，接口周期时间可由用户灵活调整。
绝对精度
在定义范围内，测量位置与实际位置之间的最大偏差即为绝对精度。
偏移量
当倾角仪处于零位时，输出可能会有轻微偏差，这被称为零点偏移误差。
动态精度
动态精度在设备承受外部振动与加速度的条件下评估，与绝对精度测量方式相同。POSITAL 在实验室中通过模拟移动设备环境进行测试，提供的动态精度值仅供参考，建议在实际应用中自行验证。
测试条件包括：
线性加速度： 一个轴向 10 m/s² 加速 1 秒
振动： 频率范围 1–1000 Hz，力度为 1 g
分辨率：这是传感器能够检测到的最小可能变化量。
迟滞：迟滞的定义是系统的输出不仅依赖于当前输入，还受到过去输入的影响。对于倾角仪来说，测得的倾斜角度也与之前的位置有关。例如，从 0° 倾斜到 10° 与从 20° 倾斜到 10° 的测量值会有细微差异，该差异即为迟滞。
温度梯度：该值描述温度变化时倾角测量值的变化情况。如果倾角仪保持静止，温度上升或下降，其输出也会随温度梯度而变化。
稳态时间：用于描述系统动态响应的参数。稳态时间定义为信号达到最终位置并在其 ±5% 范围内稳定所需的时间。
MEMS 传感芯片的制造
随着微机电系统（MEMS）器件制造技术的进步，这类传感器已成为具有卓越性能/成本比的大众化产品。TILTIX 倾角仪中的核心测量元件是一个 MEMS 传感单元，封装在一个全封闭的 ASIC 芯片中。
