解决方案

        什么是倾角传感器

        日期:2014-12-09 11:26

         

         

        倾角传感器作为测量物体相对海平面的角度测量设备,已有100多年以上的历史了。从传统的水泡式水平仪,到当前的基于加速度原理或电解液原理以及液体电容原理等,已经发展非常成熟,产品精度不断提高,应用领域也逐渐广泛和专业,制造厂家也非常多。但市场上多数倾角传感器对精度的描述,显得含糊不清或者存在一定偏差。

        一般地说,按照计量法和相关国家/国际标准,对精度的描述有总体性和确定性的描述,但这些描述具有普遍性,是否适合于倾角传感器领域,值得商榷。

        我们可以在市场上随处获得各种不同倾角传感器产品或供应商对精度的描述,大多数是将倾角传感器的非线性作为传感器的测量精度,这样做是存在一些偏差的。

        首先,我们需要分析影响倾角传感器测量精度的因素有哪些,再讨论如何确定倾角传感器的精度的定义。

        以加速度原理的倾角传感器为例。它是测量重力加速度在加速度传感器敏感轴上的分量转换成角度数据,即倾角值与加速度值成正弦关系。这个原理在很多文献以及产品说明中给予了充分的说明。

        影响倾角传感器的测量精度与以下指标密切相关:

        灵敏度误差——取决于核心敏感器件的自身特性,但同时与频率响应关联,也称幅频特性。经过实际的测试,对灵敏度的影响很小,可以忽略不计。

        零点偏置——取决于核心敏感器件的自身特性,是指传感器在没有角度输入的情况下(如绝对水平面),传感器测量输出不为零,该实际输出角度值即为零点偏置。这个指标跟传感器是否能置零没有任何关系

        非线性——可以通过后续进行校正,取决于校正点的多少。校正点越多,非线性越好。

        横轴误差——是指当传感器在垂直于其灵敏轴方向施加一定的加速度或者倾斜一定的角度时耦合到传感 器的输出信号上所产生的误差。如对于测量范围为±30°的单轴(假定X方向为倾角测量方向)倾角传感器,在空间垂直于X方向发生10°的倾斜时(此时实际被测量的X方向的倾斜角度保持不变,如为+8.505°),传感器的输出信号会因为这个10°的倾斜而产生额外误差,这个误差称为横轴误差。这个额外的误差因不同的产品而定。当倾角传感器的横轴误差为3%FS,产生的额外误差为3%×30°=0.9°,而传感器实际输出的角度简单估算为9.405°(=8.505°+0.9°)。此时,即使倾角传感器的非线性误差达到0.001°,相对横轴误差而言,这个非线性误差可以忽略不计,也就是说,作为倾角传感器的测量精度,不能不将横轴误差计算在内,否则将引起很大的测量错误。

        允许输入轴不重合度——是指传感器在实际安装过程中,允许传感器的水平(Z方向)安装偏差,该指标实际包含了输入轴非对准性、垂直轴非对准性两个方面的误差。一般地,倾角传感器在安装时要求倾斜方向与传感器的指定边沿保持平行或者重合,该指标表示可以允许有一定的安装角度偏差而不影响传感器的测量精度。当倾角传感器自身的灵敏轴与实际的倾斜方向不重合时,随倾斜的角度增大,产生的额外误差呈正弦变化。实际测试表明,当倾角传感器自身的灵敏轴与实际的倾斜方向的夹角超过3°,对于±30°量程±0.01°线性误差的倾角传感器,所产生的额外误差会达到±0.3~0.5°,也远大于非线性误差。

        重复测量精度——取决于核心敏感器件的自身特性,不能通过后续修正措施来提高。

        温度对零点和灵敏度的影响——也包含漂移和温度曲线的重复性,该重复性取决于核心敏感器件的自身特性,不能通过后续修正措施来提高。在重复性确定的情况下,可以通过后续进行校正,取决于校正点(角度点和温度点)的多少。校正点越多,温度漂移精度就越好。

        由此可见,倾角传感器的系统误差包含了灵敏度误差、零点偏置、重复性和温漂的重复性,不能进行修正和补偿;随机误差则包含了横轴误差、输入轴非对准性、非线性、温漂线性度,可以通过修正和补偿措施来提高。而倾角传感器的分辨率则与精度没有任何关系,所以不能计入到精度指标内。

        因此,衡量倾角传感器的测量精度,一定不能仅以非线性来衡量,需要将传感器的系统误差和随机误差进行误差合成后方可。

        在常温下,倾角传感器误差应该包含非线性、重复性、迟滞、零点偏置以及横轴误差,进行误差合成的计算公式为:

        其他工作原理的倾角传感器也应该按照同样的误差计算方法来确定其精度指标,而不能仅将非线性作为精度。

        从实际使用的情况来看,也要求倾角传感器对精度的计算按照上述公式:

        1、 倾角传感器的灵敏轴与传感器的外壳存在一定的偏差,这个偏差是一个空间位置,并非仅在平面坐标系上的位置;

        2、 倾角传感器在安装时,实际的倾斜的轴向不会与传感器的灵敏轴/外壳的边沿重合或平行,也很难达到如此精密的安装;

        3、 物体的实际倾斜轴向在工业现场是难以准确地找到,即使当前找到,因机械设备的自身误差,实际的倾斜轴随运动而不断地变化;

        因此,综合工业现场的实际安装,倾角传感器在大多数机械设备中处于:

        1、 传感器的灵敏轴与实际倾斜轴不重合或平行(如图1);

        2、 实际的倾斜轴只能是估计,不能准确地判断和确定;

        3、 X轴发生倾斜时,实际上因被测机械本身的加工或配合误差,Y轴同时也会发生变化,将产生横轴误差,角度越大,误差也越大(高精密机械设备除外),(如图2)。

        4、 运动过程中,倾斜轴处于规则或不规则的变化过程中.

        绝大多数工业现场测量产生图1和图2以及图3组合情况,既有横轴误差产生,也有轴不对准现象发生,同时存在。采用三轴转台进行测试,可以发现以上这些影响。

        因此,计算倾角传感器的实际测量精度,不能单纯的看非线性指标,还要看横轴误差、轴对准性等指标。

        对于智能型的倾角传感器,同时需要将因用户现场难以确定的倾斜轴与传感器的灵敏轴的非对准性因素考虑进行,这样可以大大减少对用户的安装对准性要求,并能获得真实的高精度数据。

        附录一
        瑞芬科技的倾角传感器的核心技术优势

        瑞芬科技研发生产的倾角传感器具有良好的角度测量性能,创造性地将横轴误差和零点偏置作为测量精度的重要组成部分。(注:其他一般倾角传感器产品仅将非线性作为传感器的测量精度)。同时,该传感器为解决用户的现场安装困扰以及实际的倾斜方向不可能与倾角传感器的灵敏方向完全平行或重合的实际现状,特别地给出了“允许输入轴不重合度”的参数,用户通过这个参数,可以准确地知道如何安装以及减少安装时间,并且同样能获得很好的测量精度。
        我司的倾角传感器将“横轴误差”与“允许输入轴不重合度”实现了组合应用,极大地解决了在任意角度点实现真正准确的倾斜测量:
        1、物体的实际倾斜不可能完全按照严格的X和Y正交轴向发生倾斜,如机械部件的间隙、实际倾斜轴难以确定等因素决定了实际的倾斜角度不在严格的X、Y正交方向上。当X轴向发生倾斜时,如果传感器的横轴误差过大,则会使Y方向的倾斜角度数据发生变化,而实际上,Y轴方向可能没有真正发生倾斜,反之亦然。因此,针对普通的倾角传感器的3~5%的横轴误差,即使线性度再高,其实际的测量精度也将在3~5%左右,而不是线性度数据。
        2、如传感器在实际安装过程中,没有“允许输入轴不重合度”数据,简单的目测是难以获得真正准确的倾斜数据。过大的传感器灵敏轴与实际运动倾斜方向的偏差角度,将会使传感器的输出上额外产生一个“正弦误差”叠加到输出数据上。随着倾斜角度的增大,误差也逐渐增大。
        瑞芬科技研发生产的倾角传感器良好地解决了以上的实际问题,是真正实现高精度倾角测量的产品。

        附录二

        瑞芬科技在倾角测量方面的核心技术能力介绍

        1、对倾角传感器外壳进行模态测试,并非简单将传感器核心部件安装在任意外壳内封装就成为产品。
        2、对倾角传感器PCBA板进行模态测试,从根本上解决振动引起的谐振对传感器滤波的影响。
        3、严格按照国内、国际相关标准执行(包括GB、GJB、MIL、IEC、ISO、EN等)进行测试的倾角传感器。
        4、具有自主专利的自动化测试技术倾角传感器,减少人为因素对质量的影响,保持质量的一致性。
        5、精度可以达到±5角秒@-40~85℃全温度内的综合精度,12个月的零点稳定性达到±3.6角秒。我们能提供世界上精度最高的倾角传感器,还在进一步提高中。
        6、提供近30种各类工业通用和军事/航空航天专用接口。是世界上能提供倾角传感器品种最多的并拥有自己研发能力的企业,可以为客户定制绝大多数特殊要求的倾角测量产品。
        7、近50人的规模、快速为客户提供各种服务。是世界上专业从事倾角传感器最大的企业。

         

        深圳市瑞芬科技有限公司座落于充满魅力的神奇热土-深圳,是专注于倾角、罗盘等产品的研究、开发、制造、销售和系统整合于一体的高科技企业。公司以专业化和市场化的基本经营理念从事基于传感器的市场服务和技术工作,包括欧美知名传感器公司的在中国区唯一总代理、传感器配套方案的技术开发、也可以根据客户的需求提供专业化的开发和测试解决方案。为确保我们的产品和技术服务的有效性、规范化和流程化,确保最大限度的顾客满意度。我们严格按照 ISO9000 质量保证体系来实现公司内部的严密管理程序和顾客端的灵活优化服务水平。

        公司主要经营产品有倾角传感器、数显倾角仪、测斜仪、三维电子罗盘、加速度传感器等众多国外知名品牌工业级产品。这些产品广泛应用于汽车、船舶、飞机、机械、冶金、电力、纺织、铁路、大坝监测、医疗设备、石油钻探、煤矿开采、.海洋堪测、高精密测绘等领域,同时已成为众多国际知名品牌公司在中国的优秀合作伙伴。

        我们以专业服务的技术水准和强大的技术实力,加上可靠的质量体系保证、完善的服务体系,来赢得用户和社会的支持与信任。不断向用户奉献最新的尖端高科技产品,并为您量身定做全面的专业应用解决方案。

        所属类别: 行业信息

        该资讯的关键词为: