摘要：介紹了基于MAD2020E型加速度計的0°～360°傾角傳感器的基本原理，并結(jié)合實際加速度傳感的特性，采用雙軸無溫度補償方法進行了硬件和軟件的設(shè)計。實驗驗證該傾角加速度傳感器實現(xiàn)了外形小巧、精度高、智能化。
關(guān)鍵詞：加速度傳感器；傾角測量；無溫度補償；MAD2020E
1 引言
目前國內(nèi)現(xiàn)場使用的傾角傳感器大多應用于系統(tǒng)水平測量。傾角傳感器從工作原理上可分為“同體擺”、“液體擺”、“氣體擺”、“加速度”4種方式。多數(shù)為偏重框架結(jié)構(gòu)式的測角傳感器，其工藝精度低、可靠性差，而新的石英撓性加速度計雖測量精度高，但抗震性能差，易損壞。MEMSIC加速度計MAD2020E不僅外形小巧、精度高、而且耐沖擊較大，特別適合礦井、機車等測量傾角條件較惡劣的場合。因此，這里提出一種基于MAD2020E加速度計0°～360°傾角傳感器設(shè)計方案。
2 測傾角工作原理
2．1 加速度計測傾角工作原理
加速度計通過感知重力加速度g在其測量軸上分量的大小確定物體的傾斜角度。當MEMSIC加速度計水平放置時(兩個靈敏軸與水平面平行)，它對位置或傾角變化最為敏感。而當垂直放置時(兩個靈敏軸與水平面垂直)，對于位置或傾角變化的敏感度將下降。圖1與圖2描述了MEMSIC加速度計從+90°～O°傾斜過程中X軸和y軸輸出值的相應變化。請注意當任意一軸(每傾斜1°)的輸出變化較小時，則另一軸的輸出變化較大。利用這兩軸的變化特性相互彌補的原理設(shè)計精度較高的傾角傳感器。
為測傾斜角度，需要進行計算，因為加速度計的輸出僅僅作用在感應軸上的重力加速度值。雙軸加速度計水平放置時的輸出和重力之間的關(guān)系：
式中，Ax和Ay代表加速度計的輸出，g是重力加速度，α和β是傾斜角度。為了計算傾斜角度，由反正弦方程：
2．2 MAD2020E型加速度計簡介
MAD2020E型加速度計是基于單片COMS 工藝的一個完整的雙軸加速度測量系統(tǒng)，像其他加速度計有重力塊一樣，MEMSIC器件是以可移動的熱對流小氣團作為重力塊。該器件通過測量由加速度引起的內(nèi)部溫度的變化來測量加速度。MEMSIC傳感器中的質(zhì)量塊是氣體。MAD2020E型加速度計是通過測量溫度變化的原理確定加速度的裝置。MAD2020E型加速度計傳感器輸出信號是2個PWM(占空比)信號，當加速度計傳感器輸出 PWM信號時，PWM信號的占空比與加速度信號成比例。
3 無溫度補償雙軸0°～360°傾角傳感器設(shè)計
3．1 系統(tǒng)總體設(shè)計
在基于水平位置的傾斜角度不超過±60°的應用中，可使用一個雙軸加速度傳感器來測量兩軸上的傾斜。當需要測量大于90°的傾斜角時，加速度計的X和Y軸相結(jié)合得到在360°范圍內(nèi)較好的分辨率。這需要一個雙軸的加速度計傳感器來測量單軸傾斜角。圖3給
出一個基于垂直初始位置的加速度傾角計，豎角放置的單軸傾斜測量，±360°良好分辨率。
時，加速度和傾斜角之間的關(guān)系：
這里，(δ+γ)=90°，可容易得到δ或γ的值。因此，Ax也可寫成：Ax=g·sin(-γ+90°)=g·cos(γ)。γ可通過反正切方程求得：γ=tan-1(Ax／Ay)。
除了提供更好的傾斜角分辨率外，垂直構(gòu)架還提供兩個輸出誤差由Ay除以Ax相抵消。故執(zhí)行這個轉(zhuǎn)換過程后，就不用對加速度計進行溫度補償。因為熱電耦加速度傳感器的靈敏度具有可重復的溫度特性，兩軸的輸出變化幅度相同，所以靈敏度隨溫度的變化對比值的計算沒有影響。
無溫度補償雙軸傾角傳感器系統(tǒng)設(shè)計是基于以上原理，以PIC16F873單片機為核心的雙軸PWM輸入，并利用預先設(shè)置零點偏值的方法來補償零點溫度漂移的思想設(shè)計而成。其溫度補償雙軸傾角傳感器系統(tǒng)硬件原理圖如圖4所示。
PIC16F873的RC3和RC2端設(shè)置選擇和校準零點按鍵，當PIC16F873讀入時，通過按鍵的循環(huán)選擇進行0 g的校準和靈敏度的校準。
MAD2020E型加速度計傳感器輸出是2個PWM(占空比)：T1/(T1+T2)，則加速度輸出為：
PIC16F873中有3個定時器，利用time1可計算PWM高低脈沖寬度的時間。
由MEMIC加速度計輸入與輸出的關(guān)系，信號的輸出表達關(guān)系式：
AOUT(α)=AOUT(0)+SENSITIVITY×SIN(α) (5)
O°～360°傾角實現(xiàn)方法是先把MEMIC加速度計垂直放置，然后在調(diào)整可得AOUT(0)，后利用ARCTAN函數(shù)：
該方法無需溫度補償。0 g校準是通過預先設(shè)定一個偏置角度(AngleOffset)來實現(xiàn)，然后每次把偏置角度與AOUTX相加，就可完成0 g校準。
而系統(tǒng)軟件主程序流程如圖5所示。
3．2 實驗結(jié)果
按上述傾角測量原理及電路設(shè)計，在實際轉(zhuǎn)角測試平臺上進行數(shù)據(jù)測量，測量角度誤差如圖6所示，測量誤差結(jié)果的不大于±0．1°，實驗證明測量傾角的方法具有良好的精度，從而實現(xiàn)了無溫度補償?shù)碾p軸0°～360°傾角的測量。
4 結(jié)論
采用PIC16F873單片機的加速度傾角傳感器設(shè)計，巧妙利用熱電耦式MEMSIC加速度計MAD2020E傳感器的靈敏度具有可重復的溫度特性，兩個軸的輸出都是相同的變化幅度，反正切的運算剔除了靈敏度的誤差，同時0 g的偏差利用預先設(shè)定好的角度偏置來實現(xiàn)，從而避免零點漂移造成的角度測量誤差，實現(xiàn)了無溫度補償?shù)碾p軸加速度0°～360°傾角高精度、智能化的測量。