基于傾角傳感器的傾角測量系統(tǒng)設(shè)計
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目前，業(yè)內(nèi)對傾角的測量多是基于MEMS的加速度傳感器，SCA100T是由芬蘭VTI公司推出，采用三維MEMS技術(shù)開發(fā)的一款高精度雙軸傾角傳感器，可同時測量相對于水平面的傾斜和俯仰角度，具有溫度補償功能。本文以塔式起重機為應(yīng)用背景，采用SCA100T傾角傳感器實時采集傾斜信息，檢測塔式起重機支撐架的平衡性能，避免由于其過度傾斜而引發(fā)事故。以SCA100T為基礎(chǔ)設(shè)計了一款小巧、靈敏度高的傾角測量系統(tǒng)，分析了SCA100T傾角傳感器測角的原理，給出了系統(tǒng)各個模塊的軟硬件設(shè)計方法，同時提供了兩種具有可擴展性的應(yīng)用方法。
1 整體設(shè)計
圖1所示為本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)采用ATmega8單片機控制SCA100T傾角傳感器實時檢測平臺的傾角變化，將傳感器輸出的數(shù)字量進(jìn)行換算后，轉(zhuǎn)換為實際的傾角值。用戶可以根據(jù)需要設(shè)置警界傾角值和預(yù)定平臺水平位置，傾角信息可通過LCD實時顯示或通過串口輸出到上層控制器中。當(dāng)傾角信息超過預(yù)置的警界傾角值時，系統(tǒng)開始報警，表現(xiàn)為蜂鳴器報警和LED燈閃爍。
系統(tǒng)根據(jù)輸出方式的不同分為兩種應(yīng)用方式：一種是作為獨立系統(tǒng)使用，固定在待測平臺上；另一種是將該系統(tǒng)作為一個傾角采集模塊，掛接在其他電路中使用。前者采用LCD1602實時顯示傾角信息，采用串口超級終端預(yù)設(shè)傾角警界值和水平位置；后者通過串口輸出傾角信息，允許軟件編程通過發(fā)送串口命令進(jìn)行配置。配置信息均保存在ATmega8單片機內(nèi)部的EEPROM中。
2 傾角測量原理
本文選用的SCA100T的測量范圍為±30°，其內(nèi)部包含硅電容感應(yīng)元件、EEPROM存儲器、信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器和SPI傳輸接口等，SCA100T功能框圖如圖2所示。該傳感器具有X、Y兩個通道，分別用來測量傾斜和俯仰的加速度，每個通道具有自測試系統(tǒng)，可內(nèi)部產(chǎn)生一個靜電力來校驗全部的信號通道。信號輸出有SPI數(shù)字信號輸出和模擬電壓信號輸出兩種方式，同時可輸出溫度信息進(jìn)行溫度補償。
SCA100T的測角原理為：通過測量靜態(tài)重力加速度的變化，將其轉(zhuǎn)換成傾角變化。SCA100T的硅電容感應(yīng)元件由3層硅片構(gòu)成，形成立體結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生傾斜時，中間質(zhì)量片會傾向某一側(cè)，從而使兩側(cè)的電容發(fā)生變化。通過電壓值可反映相應(yīng)的加速度值，進(jìn)而可計算角度值。圖3所示分別為X軸與Y軸的傾角變化情況(X／Y是從傾斜方向來劃分的)，以X軸為例，其加速度值與重力加速度之間的關(guān)系為：
Ax=g·sina→α=arcsin(Ax／g)
其中，Ax表示X軸測出的加速度值，g表示重力加速度值，α為X軸傾角。
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