Применение МЭМС акселерометров Colibrys для измерения угла наклона

Акселерометры Colibrys с небольшими диапазонами измерений являются идеальными датчиками для измерения угла наклона, с использованием плоскости поверхности Земли в качестве опорной.

Измерения наклона требуются на самых различных рынках, таких как энергетический, оборонный, авиа-космический, промышленный и приборостроительный.

Примеры применения:

• Индикация тангажа и крена наземных транспортных средств, судов и авиационной техники
• Измерение углов наклона стрелы крана
• Измерения дистанции или высоты
• Измерение угла бурения при построении каротажной диаграммы скважины
• Стабилизация платформ или антенн
• Коррекция Компаса
• Контроль наклона высокоскоростных поездов
• Системы безопасности и вооружения

Принцип измерения угла наклона

Акселерометр используют влияние земной гравитации (1g) на инерциальную массу как входное ускорение для определения наклона (рис. 1). Инерциальная масса является центром пластины, поддерживающей массу посредством пружины. Выходной сигнал акселерометра "Vout" является пропорциональным аналоговым напряжением, вычисляющимся по следующему уравнению:

V_out = Смещение + (Коэффициент масштабирования х Ускорение), где:

• Смещение [В] является выходным напряжением при ускорении 0g
• Коэффициент масштабирования [В/g] является чувствительностью датчика
• Ускорение [g] является проекцией ускорения свободного падения (1g) на измерительную ось

Рис. 1. Принцип измерения угла наклона

Техническая Реализация

Угол φ рассчитывается по следующей формуле:

Угол φ = arcsin ((V_out - Смещение) / (1g x Коэффициент масштабирования))

Здесь угол φ указывается в градусах.

При вращении акселерометра вокруг горизонтальной оси он будет выдавать синусоидальный выходной сигнал под воздействием гравитационного поля Земли. На рисунке 2 показан пример акселерометра MS9002.D при различных углах наклона относительно направления ускорения гравитации.

Рис. 2. Акселерометр MS9002.D при различных углах наклона

Пример измерения наклона с помощью датчика MS9002.D - в этом примере, акселерометр поворачивается на 360° вокруг оси Х или Y. Соответствующие значения угла, ускорения по оси чувствительности, выходного сигнала и разрешения, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Угол наклона, °	Ускорение по оси чувствительности, g	Выходной сигнал, V	Разрешение, mg/°
0	0	2,5	17,452
30	0,5	3	15,038
60	0,866	3,366	8,594
90	1	3,5	- 0,152
120	0,866	3,366	- 8,858
150	0,5	3	- 15,190
180	0	2,5	- 17,452
210	- 0,5	2	- 15,038
240	- 0,866	1,634	- 8,594
270	- 1	1,5	0,152
300	- 0,866	1,634	8,858
330	- 0,5	2	15,190
360	0	2,5	17,452

При построении графиков гравитации и разрешения относительно угла поворота, видно, что даже если акселерометр может обеспечить на выходе сигнал в диапазоне углов от 0 до 360 °, лучшей рабочей зоной является линейная и симметричная зона не более ± 30 ° в области значений гравитации от 0° и 180°.

Рис. 3. График зависимости ускорения и разрешения от угла наклона

Выбор акселерометра для измерения наклона

При подборе наилучшего акселерометра для измерения наклона необходимо учитывать различные параметры. Краткосрочная и долгосрочная стабильность, гистерезис, повторяемость и низкий уровень шума являются ключевыми параметрами, которые следует учитывать для наилучшей точности измерений наклона.

Акселерометры Colibrys MS9002 и RS9002 являются одними из лучших продуктов c краткосрочной и долгосрочной стабильностью менее чем 2 *10^-3 g для диапазона ±2g. Это обеспечивает стабильность лучше, чем 0,1° в течение одного года. Хороший температурный коэффициент смещения без компенсации (обычно 100 *10^-6 g/°C или 0.007°/°C в диапазоне ±30°), при этом так же обеспечиваются низкий гистерезис и высокая повторяемость. Датчики Colibrys обеспечивают низкий уровень шума (обычно 20*10^-6 g/√Гц для датчика ±2g) и, следовательно, позволяют измерять углы с разрешением 0.001° (СКО шума при полосе пропускания 1 Гц).