一種組合敏感元件高精度傾斜角傳感器的制造方法
【專利摘要】一種組合敏感元件高精度傾斜角傳感器，屬于傳感器領(lǐng)域。包括工裝模塊、傳感器外殼、敏感元件芯片、信號處理電路模塊、電源管理濾波電路、微處理器、數(shù)字量輸出模塊。將2個以上小量程集成傾斜角敏感元件芯片，依位置關(guān)系固定在工裝模塊上；當(dāng)工裝模塊隨傳感器外殼轉(zhuǎn)動時，多個傾斜角敏感元件芯片的輸出信號依次進(jìn)入信號處理電路模塊上的微處理器，微處理器根據(jù)傳感器外殼相對水平面傾斜角度的變化，采集相應(yīng)的多個敏感元件芯片的信號進(jìn)行程序化處理，擴(kuò)大整體傾斜角傳感器測量范圍。本發(fā)明通過不同量程或不同分辨率的多個敏感元件芯片通過空間位置組合，經(jīng)過微處理器和電子電路模塊處理，最終實現(xiàn)高精度大量程傾斜角度測量。
【專利說明】一種組合敏感元件高精度傾斜角傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種傾斜角傳感器，屬于傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種采用不同量程或不同分辨率的多個敏感元件芯片通過空間位置組合，經(jīng)過微處理器和電子電路模塊處理，實現(xiàn)高精度大量程傾斜角度測量的傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)自動化檢測與精確控制需求的日益增加，在許多【技術(shù)領(lǐng)域】要求精準(zhǔn)測量物體相對于水平面或垂直面的空間位置角度，即傾斜角度。比如:電力高壓線塔、無線通訊信號塔、風(fēng)力發(fā)電機(jī)支撐桿、海上鉆井平臺、工程機(jī)械、煤礦機(jī)械、建筑物傾斜、雷達(dá)天線等測量，對于傾斜角傳感器的精度要求很高，一般需要達(dá)到角分級Γ )或角秒級(")。
[0003]傾斜角測量有很多種不同測量原理，如電解液水泡測量、熱浮氣流溫差測量、固體擺錘重力測量、磁敏感傾斜角測量、陀螺儀傾斜角測量、激光測距傾斜角測量等不同方法。目前最為常見的傾斜角傳感器是采用微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-electro-mechanicalSystems,簡稱MEMS)工藝，利用測量加速度原理的集成敏感元件芯片，獲得被測物體與垂直于地面(水平面)的重力加速度方向相對空間夾角變化，實現(xiàn)對傾斜角度的測量。該種集成敏感元件芯片具有集成度高，經(jīng)DSP系統(tǒng)處理，敏感元件與處理電路一體化設(shè)計，給定量程輸出信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，比如:± 15° ±30° ±90°輸出均對應(yīng)模擬量O?5V電壓信號。顯然，量程越小，敏感元件芯片對應(yīng)的分辨率越高。另外，重力加速度隨空間角度變化在水平位置的正負(fù)角度范圍內(nèi)，滿足正弦曲線規(guī)律變化，即被測傾斜角度越大，偏離線性越嚴(yán)重，單位角度對應(yīng)的分辨率也會急劇下降，嚴(yán)重影響測量精度。由此導(dǎo)致了大角度范圍難于實現(xiàn)高精度傾斜角度的測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)中由于被測傾斜角度過大，嚴(yán)重偏離線性，導(dǎo)致單位角度對應(yīng)的分辨率急劇下降，嚴(yán)重影響測量精度，由此導(dǎo)致了大角度范圍難于實現(xiàn)高精度傾斜角度測量的問題。
[0005]一種組合敏感元件高精度傾斜角傳感器，如圖1所示。其特征在于:包括工裝模塊1、傳感器外殼2、敏感兀件芯片3、信號處理電路模塊4、電源管理濾波電路5、微處理器(MCU)6、數(shù)字量輸出模塊7為基本組成；通過工裝模塊I的設(shè)計，將2個以上測量范圍小于±90°的70%以下的小量程集成傾斜角敏感元件芯片3 (可以為2至36個)，依位置關(guān)系固定在工裝模塊I上；當(dāng)工裝模塊隨傳感器外殼2轉(zhuǎn)動時，信號處理電路模塊4上的微處理器根據(jù)傳感器外殼2相對水平面傾斜角度的變化，采集相應(yīng)的多個敏感元件芯片3的信號進(jìn)行程序化處理，實現(xiàn)擴(kuò)大整體傾斜角傳感器測量范圍的目的。電源管理和濾波電路5對傾斜角敏感元件芯片提供標(biāo)準(zhǔn)化穩(wěn)定的供電電源，并對原始信號進(jìn)行高頻濾波。通過多個集成敏感元件芯片依位置關(guān)系的組合，可以實現(xiàn)360°空間位置內(nèi)高精度傾斜角度的測量。
[0006]信號處理電路模塊4上的數(shù)字量輸出模塊7將實時傾斜角度信息以二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制、格雷碼數(shù)據(jù)格式通過SP1、SS1、RS-232、RS422、RS-485、CAN總線、LIN總線等通信方式發(fā)送輸出電信號。
[0007]工裝模塊I根據(jù)傾斜角敏感元件芯片3的分辨率、或滿足線性度精度要求，或滿足測量精度要求，相對水平零點位置的測量范圍為土 Θ角度；工裝模塊I的設(shè)計第一斜面與水平面夾角為根據(jù)“量程和精度”選用的敏感元件芯片全量程的一半，α = Θ角；工裝模塊的第二斜面與水平面的夾角β =3Χ Θ ;采用三個敏感元件芯片，第三個斜面與水平面的夾角Y =5Χ Θ，依次類推，第N個斜面與水平面的夾角(2Ν-1)Χ Θ ;當(dāng)傾斜角傳感器按指定方向轉(zhuǎn)動時，多個小量程高分辨率敏感元件依次進(jìn)入測量量程，微處理器對各個敏感元件測量的各自區(qū)間及分界點進(jìn)行標(biāo)定，線性度較準(zhǔn)，溫度補(bǔ)償處理，經(jīng)后續(xù)處理電路對角度信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。
[0008]信號處理電路模塊4上如果增加LED，LCD, OLED,彩色液晶顯示模塊8等，可以構(gòu)成帶讀數(shù)顯示的高精度傾斜角傳感器。
[0009]信號處理電路模塊4上如果增加繼電器及驅(qū)動電路模塊9，將微處理器6處理后的數(shù)字信號，增加上下限報警邏輯判斷，電路中設(shè)置I?4個繼電器或數(shù)字開關(guān)電路，能實現(xiàn)超限報警功能。
[0010]信號處理電路模塊4上如果增加DAC轉(zhuǎn)換電路10，可以將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為O?5V、O?10V、±5V、±10V、4?20mA，O?20mA等模擬信號輸出。
[0011]所述信號處理電路模塊4上如果增加無線發(fā)射模塊11，可以將實時傾斜角信息以無線形式發(fā)送至接收單元，構(gòu)成具有無線通訊功能的高精度傾斜角傳感器。
[0012]將兩個工裝模塊I垂直放置，可以實現(xiàn)二維X-Y平面兩個方向大量程高精度的測量。
[0013]本發(fā)明優(yōu)點是通過不同量程或不同分辨率的多個敏感元件芯片通過空間位置組合，經(jīng)過微處理器和電子電路模塊處理，最終實現(xiàn)高精度大量程傾斜角度測量，結(jié)構(gòu)巧妙，功能齊備，可以實現(xiàn)360°全量程線性高精度的傾斜角測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結(jié)合附對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0015]圖1中:I工裝模塊，2傳感器外殼，3傾斜角敏感元件芯片(簡稱敏感元件芯片)，4信號處理電路模塊,5電源管理與濾波電路,6微處理器(MCU) ,7數(shù)字量輸出模塊,8顯不模塊，9繼電器與驅(qū)動電路模塊，10DAC轉(zhuǎn)換電路模塊，11無線發(fā)射模塊。
[0016]圖2是本發(fā)明模具工裝模塊示意圖。I為根據(jù)敏感元件芯片的量程設(shè)計的專用工裝模塊；3為多于一個的敏感元件芯片，可以是相同量程的，也可以是不同量程的；工裝模塊I斜面的位置夾角必須根據(jù)所選用的敏感元件芯片的量程特殊設(shè)計后加工制備。
[0017]圖3是實施例1第二工裝模塊12的示意圖。采用兩個量程為±30°傾斜角敏感元件芯片，第一斜面14與第一水平基面13之間的夾角α =30° ;第二斜面15與第一水平基面13的夾角β =90°。由此可以實現(xiàn)量程O?90°或O?120°高精度傾斜角的測量。
[0018]圖4是實施例2第三工裝模塊16的示意圖。采用兩個量程為±30°傾斜角敏感元件芯片3分別安裝在三角形的兩個斜邊上，圖中第三工裝模塊16三角形的兩個底角α=30°，β =-30°。由此可以實現(xiàn)量程±60°高精度傾斜角的測量。
[0019]圖5是實施例3示意圖，是采用三個±15°傾斜角敏感元件芯片3第四工裝模塊17示意圖。三個±15°敏感元件芯片3，分別安裝在斜面18、19、20上，其中夾角α =15°，β = 45°，Y = 75°，由此可以實現(xiàn)量程O?90°高精度傾斜角度的測量。

【具體實施方式】
[0020]實施例1:
[0021]如圖3所示，為采用兩個±30°傾斜角敏感元件芯片實現(xiàn)擴(kuò)大量程高精度傾斜角測量的第二工裝模塊12示意圖；1個±30°傾斜角敏感元件芯片放置在第一斜面14上，它與第二水平基面13之間的夾角α =30°。另一個±30°傾斜角敏感元件芯片放置在第二斜面15，該斜面與水平基面13的夾角β =90°。當(dāng)?shù)诙ぱb模塊12隨著本發(fā)明傾斜角傳感器順時針轉(zhuǎn)動時，經(jīng)過電路處理模塊的智能化程序處理，可以實現(xiàn)量程O?90°或O?120°高精度傾斜角的測量。
[0022]實施例2:
[0023]如圖4所示，為了提高分辨率和線性度，采用兩個±30°傾斜角敏感元件芯片安裝在三角形的第三工裝模塊16示意圖。2個±30°傾斜角敏感元件芯片3分別安裝在等腰三角型的兩個斜面上，三角形模塊的底角，α =30°，β =-30°。當(dāng)?shù)谌ぱb模塊16隨著本發(fā)明傾斜角傳感器沿著水平方向正負(fù)轉(zhuǎn)動時，經(jīng)過電路處理模塊的智能化程序處理，可以實現(xiàn)量程可以實現(xiàn)量程±60°高精度傾斜角的測量。
[0024]實施例3:
[0025]如圖5所示，為采用3個±15°敏感元件芯片3第四工裝模塊21結(jié)構(gòu)示意圖。第四工裝模塊第三斜面18與第二水平面17的夾角為α = 15°，第四斜面19與第二水平面17夾角為β =45°，第五斜面20與水平面17夾角為Y =75。，當(dāng)模塊隨傳感器外殼順時針轉(zhuǎn)動時，通過電路處理模塊4的智能化程序處理，可以實現(xiàn)O?90°高精度的測量。
【權(quán)利要求】
1.一種組合敏感元件高精度傾斜角傳感器，其特征在于:包括工裝模塊(I)、傳感器外殼(2)、敏感元件芯片(3)、信號處理電路模塊(4)、電源管理濾波電路(5)、微處理器(6)、數(shù)字量輸出模塊(7);通過工裝模塊(I)的設(shè)計，將2個以上測量范圍小于±90°的70%以下的小量程集成傾斜角敏感元件芯片(3)，依位置關(guān)系固定在工裝模塊(I)上；當(dāng)工裝模塊固定并隨傳感器外殼(2)轉(zhuǎn)動時，信號處理電路模塊(4)上的微處理器(6)根據(jù)傳感器外殼(2)相對水平面傾斜角度的變化，采集相應(yīng)的多個敏感元件芯片(3)的信號進(jìn)行程序化處理，實現(xiàn)擴(kuò)大整體傾斜角傳感器測量范圍的目的；電源管理和濾波電路(5)對傾斜角敏感元件芯片提供標(biāo)準(zhǔn)化穩(wěn)定的供電電源，并對原始信號進(jìn)行高頻濾波； 信號處理電路模塊(4)上的數(shù)字量輸出模塊(7)將實時傾斜角度信息以二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制、格雷碼數(shù)據(jù)格式通過SP1、SS1、RS-232、RS422、RS-485、CAN總線、LIN總線通信方式發(fā)送輸出電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種組合敏感元件高精度傾斜角傳感器，其特征在于工裝模塊(I)根據(jù)傾斜角敏感元件芯片(3)的分辨率、或滿足線性度精度要求，或滿足測量精度要求，相對水平零點位置的測量范圍為土 Θ角度；工裝模塊(I)的設(shè)計第一斜面與水平面夾角為根據(jù)“量程和精度”選用的敏感元件芯片全量程的一半，α = Θ角；工裝模塊的第二斜面與水平面的夾角β =3Χ Θ ;采用三個敏感元件芯片，第三個斜面與水平面的夾角Y=5Χ Θ，依次類推，第N個斜面與水平面的夾角(2Ν-1) X Θ ;當(dāng)傾斜角傳感器按指定方向轉(zhuǎn)動時，多個小量程高分辨率敏感元件依次進(jìn)入測量量程，微處理器對各個敏感元件測量的各自區(qū)間及分界點進(jìn)行標(biāo)定，線性度較準(zhǔn)，溫度補(bǔ)償處理，經(jīng)后續(xù)集成電路對角度信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種組合敏感元件高精度傾斜角傳感器，其特征在于:信號處理電路模塊(4)上增加LED，IXD，OLED，彩色液晶顯示模塊(8)，構(gòu)成帶讀數(shù)顯示的高精度傾斜角傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種組合敏感元件高精度傾斜角傳感器，其特征在于:信號處理電路模塊(4)上增加繼電器及驅(qū)動電路模塊(9)，將微處理器(6)處理后的數(shù)字信號，增加上下限報警邏輯判斷，電路中設(shè)置I?4個繼電器或數(shù)字開關(guān)電路，實現(xiàn)超限報警功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種組合敏感元件高精度傾斜角傳感器，其特征在于:信號處理電路模塊(4)上增加DAC轉(zhuǎn)換電路(10)，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為O?5V、0?10V、±5V、土 10V、4?20mA，O?20mA模擬信號輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種組合敏感元件高精度傾斜角傳感器，其特征在于:信號處理電路模塊(4)上增加無線發(fā)射模塊(11)，將實時傾斜角信息以無線形式發(fā)送至接收單元，構(gòu)成具有無線通訊功能的高精度傾斜角傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種組合敏感元件高精度傾斜角傳感器，其特征在于:將兩個工裝模塊(I)垂直放置，實現(xiàn)二維X-Y平面兩個方向大量程高精度的測量。
【文檔編號】G01C9/00GK104165620SQ201410361590
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】田躍, 張波, 孫明明, 張一 , 裴屹杰, 李 杰, 馬星橋, 邱宏, 翟穎, 張珂, 沈冰陽, 曹子坤, 韓婷婷, 陳嘉卉 申請人:北京科技大學(xué), 北京天?？瓶萍及l(fā)展有限公司