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，依位置關系固定在工裝模塊上；當工裝模塊隨傳感器外殼轉動時，多個傾斜角敏感元件芯片的輸出信號依次進入信號處理電路模塊上的微處理器，微處理器根據傳感器外殼相對水平面傾斜角度的變化，采集相應的多個敏感元件芯片的信號進行程序化處理，擴大整體傾斜角傳感器測量范圍。本發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，經過微處理器和電子電路模塊處理，最終實現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

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種傾斜角傳感器，屬于傳感器領域，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，經過微處理器和電子電路模塊處理，實現高精度大量程傾斜角度測量的傳感器。

【背景技術】
[0002]隨著工業自動化檢測與精確控制需求的日益增加，在許多【技術領域】要求精準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、風力發電機支撐桿、海上鉆井平臺、工程機械、煤礦機械、建筑物傾斜、雷達天線等測量，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械系統(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DSP系統處理，敏感元件與處理電路一體化設計，給定量程輸出信號進行標準化處理，比如:± 15° ±30° ±90°輸出均對應模擬量O?5V電壓信號。顯然，量程越小，敏感元件芯片對應的分辨率越高。另外，重力加速度隨空間角度變化在水平位置的正負角度范圍內，滿足正弦曲線規律變化，即被測傾斜角度越大，偏離線性越嚴重，單位角度對應的分辨率也會急劇下降，嚴重影響測量精度。由此導致了大角度范圍難于實現高精度傾斜角度的測量。


【發明內容】

[0004]針對現有技術的不足，本發明目的是為了解決現有技術當中由于被測傾斜角度過大，嚴重偏離線性，導致單位角度對應的分辨率急劇下降，嚴重影響測量精度，由此導致了大角度范圍難于實現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、數字量輸出模塊7為基本組成；通過工裝模塊I的設計，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)，依位置關系固定在工裝模塊I上；當工裝模塊隨傳感器外殼2轉動時，信號處理電路模塊4上的微處理器根據傳感器外殼2相對水平面傾斜角度的變化，采集相應的多個敏感元件芯片3的信號進行程序化處理，實現擴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準化穩定的供電電源，并對原始信號進行高頻濾波。通過多個集成敏感元件芯片依位置關系的組合，可以實現360°空間位置內高精度傾斜角度的測量。
[0006]信號處理電路模塊4上的數字量輸出模塊7將實時傾斜角度信息以二進制、十進制、十六進制、格雷碼數據格式通過SP1、SS1、RS-232、RS422、RS-485、CAN總線、LIN總線等通信方式發送輸出電信號。
[0007]工裝模塊I根據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的設計第一斜面與水平面夾角為根據“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 ;當傾斜角傳感器按指定方向轉動時，多個小量程高分辨率敏感元件依次進入測量量程，微處理器對各個敏感元件測量的各自區間及分界點進行標定，線性度較準，溫度補償處理，經后續處理電路對角度信號進行標準化。
[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，可以構成帶讀數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動電路模塊9，將微處理器6處理后的數字信號，增加上下限報警邏輯判斷，電路中設置I?4個繼電器或數字開關電路，能實現超限報警功能。
[0010]信號處理電路模塊4上如果增加DAC轉換電路10，可以將數字信號轉換為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上如果增加無線發射模塊11，可以將實時傾斜角信息以無線形式發送至接收單元，構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，可以實現二維X-Y平面兩個方向大量程高精度的測量。
[0013]本發明優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，經過微處理器和電子電路模塊處理，最終實現高精度大量程傾斜角度測量，結構巧妙，功能齊備，可以實現360°全量程線性高精度的傾斜角測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結合附對本發明作進一步說明:
[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數字量輸出模塊,8顯不模塊，9繼電器與驅動電路模塊，10DAC轉換電路模塊，11無線發射模塊。
[0016]圖2是本發明模具工裝模塊示意圖。I為根據敏感元件芯片的量程設計的專用工裝模塊；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所選用的敏感元件芯片的量程特殊設計后加工制備。
[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擴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°。當第二工裝模塊12隨著本發明傾斜角傳感器順時針轉動時，經過電路處理模塊的智能化程序處理，可以實現量程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°。當第三工裝模塊16隨著本發明傾斜角傳感器沿著水平方向正負轉動時，經過電路處理模塊的智能化程序處理，可以實現量程可以實現量程±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結構示意圖。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。，當模塊隨傳感器外殼順時針轉動時，通過電路處理模塊4的智能化程序處理，可以實現O?90°高精度的測量。
【權利要求】
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)、數字量輸出模塊(7);通過工裝模塊(I)的設計，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)，依位置關系固定在工裝模塊(I)上；當工裝模塊固定并隨傳感器外殼(2)轉動時，信號處理電路模塊(4)上的微處理器(6)根據傳感器外殼(2)相對水平面傾斜角度的變化，采集相應的多個敏感元件芯片(3)的信號進行程序化處理，實現擴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準化穩定的供電電源，并對原始信號進行高頻濾波； 信號處理電路模塊(4)上的數字量輸出模塊(7)將實時傾斜角度信息以二進制、十進制、十六進制、格雷碼數據格式通過SP1、SS1、RS-232、RS422、RS-485、CAN總線、LIN總線通信方式發送輸出電信號。
2.根據權利要求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)的設計第一斜面與水平面夾角為根據“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 ;當傾斜角傳感器按指定方向轉動時，多個小量程高分辨率敏感元件依次進入測量量程，微處理器對各個敏感元件測量的各自區間及分界點進行標定，線性度較準，溫度補償處理，經后續集成電路對角度信號進行標準化。
3.根據權利要求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)，構成帶讀數顯示的高精度傾斜角傳感器。
4.根據權利要求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)上增加繼電器及驅動電路模塊(9)，將微處理器(6)處理后的數字信號，增加上下限報警邏輯判斷，電路中設置I?4個繼電器或數字開關電路，實現超限報警功能。
5.根據權利要求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轉換電路(10)，將數字信號轉換為O?5V、0?10V、±5V、土 10V、4?20mA，O?20mA模擬信號輸出。
6.根據權利要求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)上增加無線發射模塊(11)，將實時傾斜角信息以無線形式發送至接收單元，構成具有無線通訊功能的高精度傾斜角傳感器。
7.根據權利要求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 優先權日:2014年7月25日
【發明者】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, 北京天海科科技發展有限公司