双轴倾角传感器示值误差检测方法

/ 陕西省计量科学研究院

0 引言

随着双轴倾角传感器在航空航海、机械、交通、建筑等各领域的广泛使用，其示值误差的校准检测也越来越受到重视。

1 双轴倾角传感器工作原理

倾角传感器经常用于系统的水平角度变化测量，作为一种检测工具，它已成为航空航海、土木工程、石油钻井、工业自动化、机械加工等领域不可缺少的重要测量工具。用它可测量被测平面相对于水平位置的倾斜度、两部件相互之间的平行度和垂直度等。

随着硅微机械传感器测量（MEMS）技术的发展，采用MEMS技术、数字输出的双轴倾角传感器使用逐渐增多。双轴倾角传感器（见图1）用于各种角度的测量。例如，高精度激光仪器的水平度、工程机械设备调平、远距离测距仪器、高空平台安全保护、定向卫星通信天线的俯仰角测量、船舶航行姿态测量、盾构顶管应用、大坝检测、火炮炮管初射角度测量、雷达车辆平台检测、卫星通信车姿态检测等。当倾角传感器静止时，也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。一般意义上的倾角传感器是静态测量或者准静态测量，一旦有外界加速度，那么加速度芯片测出的加速度就包含外界加速度，故计算出来的角度就不准确。因此，双轴倾角传感器采用高端MEMS技术，传感器内部采用高分辨力差分数模转换器，内置自动补偿和滤波算法，很大程度减小了环境变化引起的误差。把静态重力场的变化转换成倾角变化，通过数字方式直接输出当前的横滚角和俯仰角的角度值。因此，传感器的示值误差需要进行检测，保证其量值传递可靠。

图1 倾角传感器结构

2 检测方法

根据双轴倾角传感器的原理分析，对双轴倾角传感器的校准方法设计如下，用角度转台校准装置参照JJF 1352-2012《角位移传感器校准规范》来校准双轴倾角传感器X轴示值误差、Y轴示值误差。标准器角度转台是英国某公司生产，分辨力为0.1″，准确度等级为2″，量值溯源到中国计量科学研究院。以某公司的BWH526双轴倾角传感器为例，见图2。

图2 双轴倾角传感器

转动角度转台产生0～360°任意标准角度角值，由转台数显装置读出，被测双轴倾角传感器接通稳压直流电源，通过PC终端串口助手或者数字方式直接显示角度值。传感器的安装面与被测量面固定必须紧密、平整、稳定，根据安装示意图（图3）进行安装。通过定做专用夹具、压板将双轴倾角传感器按照X轴和Y轴正确安装，见图4、图5。分别进行测量得出X轴和Y轴的示值误差，见表1、表2。

图3 安装示意图

图4 X轴安装方式

图5 Y轴安装方式

表2 Y轴示值误差

传感器轴线与被测量轴线必须平行，两轴线尽可能不要产生夹角，安装错误示例如图6所示。

图6 安装错误示例

该双轴倾角传感器测量范围为±30°，准确度0.005°，示值误差满足JJF 1352-2012的要求。

3 结语

本文分析了双轴倾角传感器的原理，利用现有的角度转台校准装置设计了此类传感器的校准方法，检测出其示值误差，保证了该传感器的量值传递的准确性。