基于加速度传感器和磁阻传感器的空间三维角测量仪的设计

· 智能控制技术· 赵灿先 陈云飞 杨决宽 等 基于加速度传感器和磁阻传感器的空间⋯⋯ 69 基于加速度传感器和 磁阻传感器的空间三维角测量仪的设计 赵灿先，陈云飞，杨决宽，王玉娟 (东南大学 机械工程学院，江苏 南京 211189) 摘要：通过描述地球重力场、地磁场和实际测量传感器 3轴之间的关系，阐述 了空间三维角的测 量原理，再结合加速度传感器和磁阻传感器的原理及其误差 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，给出了测量空间三维角的软硬 件设计。 关键词：加速度传感器；磁阻传感器；测量仪；三维角；单片机系统 中图分类号：TP212．9 文献标识码：B 文章编号：1672—1616(2007)23—0069—05 许多应用领域中经常需要测量某个平面是否 处于水平、垂直，或者测量相对于水平面的夹角，例 如检测桥梁各梁臂的角度 ，自倾斜火车需要利用倾 斜角来补偿离心加速度，对测距仪、投影仪等仪器 进行水平校准。还有些领域不仅需要测量某个角 度，还需要测量三维空间角，例如航空中的飞机就 需要测量三维角以控制飞机的飞行，非开挖也需要 测量三维角以控制地底下的钻头。 本文首先对空间三维角的测量原理进行说明， 然后简要叙述单片双轴 MEMS加速度传感器 ADXL202和磁阻传感器 HMC1022的工作原理和 误差分析，在此基础之上给出测量空间三维角的实 用电路。 1 测量原理 为了获得空间三维角，必须建立合适的参考坐 标系，定义合适的 3个参考角。首先建立地理坐标 系 (GCS)和实物坐标系(SCS)。GCS指的是北 一 东一地(N—E—D)坐标系，SCS指的是在实物上 建立的X—y—z坐标系(即加速度传感器和磁阻 传感器的3个测量轴)，如图1所示。图1参考坐标 系及三维角定义 X轴沿实物轴线指向运动前方， y轴位于横截平面内指向右方，z轴在横截平面内 指向下方。X轴在水平面的投影与正北之间的夹角 为方位角，用 a表示。X轴与水平面间的夹角为倾 角，用 表示。探头横截面内Z轴与 6点钟方向的 夹角(即 y轴与水平面的夹角)为面向角，用 表 示。角度的定义均参照右手规则，满足右手规则为 正，反之为负。 、 、 ＼ ＼ ＼ 图 1 参考坐标系及三维角定义 根据欧拉定理，载体在空间中的姿态可用载体 坐标系相对于地理坐标系的有限次转动来表示。 设起始时地理坐标系与探头坐标系重合 (N与X 轴、E与y轴、D与z轴相对应)，随后载体绕 N轴 旋转 角，绕 E轴旋转 角，绕D轴旋转a角，就得 到当前的坐标系(SCS)。 每次旋转相当于一次坐标变换，可以用相应的 变换矩阵 RD(a)，RE( )，RN( )表示： I 1 0 RD(a)=1 0 COSt2 L0 ——sina Fcos0 0 RE( )=l 0 1 Lsin0 0 收稿日期：2007—08—31 作者简介：赵灿先(1979一)，男，湖北黄冈人，东南大学硕士研究生，主要研究方向为非开挖定位导航系统。 (1) (2) a a 一 0 眦 0 ．c ．c 0 c蓦； 一 C 维普资讯 http://www.cqvip.com 70 2007年 12月 中国制造业信息化 第 36卷 第23期 RD(a)RE(0)RN( )= sin9 o7 cos9 0 l 0 1-1 于是得到地理坐标系到探头坐标系间的变换 (3) 矩阵 RD(a)RE(0)RN( )，此矩阵由各转动角度 和次序惟一地确定： r cosOcos9 finasinOcos9 一 cosasin9 【-cosa sin0cos9+sina sin9 GCS中地球重力场和磁场如图2所示，其中 为磁倾角。重力加速度计和磁阻计分别测出 SCS 中x，y，Z轴上地球重力的分量gx，gy，g 和地磁 场的分量 ， ， 。这样，重力加速度和地球磁 场可以从 GCS转换到SCS中。 D 重力场 ／ ＼ 点 ，_ 地磁场 =RD(a)RE(O)RN(9)圈 ㈣ ㈩ 瞄 ㈦ 通过计算，可以得到这3个角度的表达式： a— ctan (7) ～ c ta j I g ‘v— l 一 协nll- 夏 J 式中 ： 。 2 加速度传感器的原理 ADXL202采用先进的MEMS技术，在硅片中 刻蚀了一个多晶硅表面微机械传感器，并在同一硅 片上集成了一套精密的信号处理电路。信号处理 cosOsin9 sinasin0sin9 + cosacos9 cosa cos0sin9 ——sina cos9 (4) 电路能将表面微机械传感器产生的模拟信号转换 为占空比调制数字信号输出。这种占空比调制信 号可以直接使用单片机或计算机进行处理，使 ADXL202的使用非常方便[2l。 ADxL202内部结构如图 3所示，x，y轴向 传感器输出信号经解调电路得到标准电压模拟信 号，并通过内部额定的 32ki2电阻上拉驱动循环调 制电路(DCM)，经 DCM后 Xotrv，YOUT输出与加 速度成比例的循环数字信号，其周期 T2可由 RsFI" 设置为 0．5～lOms(T2： Rs盯／125MI2)，如图 4 所示。因此占空比 T1／T2决定了加速度信号的大 小及正负[3l。 图 3 ADXL202内部结构框图 图4 ADXL202的信号输 出 通过占空比确定该轴上的加速度 out大小： out= (10) — 一 Llu 3 磁阻传感器的原理 3．1 原理 磁阻传感器利用各向异性磁阻效应原理测量 地磁场。各向异性磁电效应是指对于强磁性金属 。 —． ．．．．．．．．．．。．． 。L lj 、， ／L N R 维普资讯 http://www.cqvip.com ·智能控制技术· 赵灿先 陈云飞 杨决宽 等 基于加速度传感器和磁阻传感器的空间⋯⋯ 71 (铁、钴、镍等及其合金)，若外加磁场平行于磁体内 部磁化方向时，其电阻值不变；若外加磁场方向与 磁体内部磁化方向有偏离，则其阻值变低。沿一条 长而薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在 垂直于电流的方向施加一个磁场 M，则导致两端 合金带的内磁化方向朝着电流方向转动，合金带的 阻值发生变化，变化值取决于内外磁场合成的磁化 方向与电流流向的夹角 0(如图 5所示)。该角减 小，电阻增大；增大，电阻减小。坡莫合金 F。20 Ni80 在弱磁场下的电阻变化率较大，适合于弱磁场条件 下使用。利用薄膜加工技术在硅片上蒸涂坡莫合 金薄膜经微细加工技术可制成如图 5所示的传感 器探头。 合余带 外 舢娩 场 图 5 磁阻传感器 磁阻传感器由4个磁阻组成了惠斯登电桥(如 图6所示)。电桥加电 后，电阻中有电流流过， 若在电桥上施加一个外加磁场，使得两个相对放置 的电阻的磁化方向朝着电流方向转动，引起电阻阻 值增加；另外两相对放置的电阻的磁化方向背向电 流转动，引起电阻阻值减少。在线性区域内，输出和 外加磁场成正比，V =(AR／R) j 外加磁场 图 6 磁 阻传 感器工作原理 3．2 环境温度影响 磁阻传感器的温度系数影响角度的准确测量， 产生温度漂移，导致灵敏度温度系数的变化。 在 HMC1022中设计有偏置电流带 oFF+／ OFF一，可以消除温漂。通过一个交流耦合驱动 器，在 OFF+／OFF一电流带上产生一个双向脉 冲，双向脉冲引起的磁阻传感器的输出是对称的， 有一个相同的截距，可以通过运算消除掉。 如图7所示 ，首先对电流带施加一置位脉冲， 测量此时的磁场强度 B和输出电压 然后对电 流带施加一复位脉冲，测量此时的输出电压 一 ， 则有 V = SB +V (11) 一 = 一 SB+ V (12) 由式(11)、(12)}N减，可得 一 一 = 2SB (13) 式中：S为磁阻传感器的灵敏度，mV／Gs。 冲 图 7 置位／复位脉 冲对传感 器的影 响 实践证明，利用这种双向脉冲方法，可使磁阻 传感器输出的温度影响控制在0．01％／℃范围内， 温度变化 50℃，误差小于0．29。。磁阻传感器在 X 轴和y轴方向的输出增益变化与温度变化引起的 灵敏度温度系数的变化成正比，通过电桥，温度影 响可基本抵消l4 J。 4 系统软硬件设计 4、1 加速度测量的软硬件设计 4．1、1 硬件设计 加速度测量主要由 2片 ADXL202和单片机 AT89S52组成。2片 ADXL202分别测出 X，y，Z 轴上的脉冲信号，输出到 AT89S52的 P1口，通过 P1口测出3轴脉冲的占空比，可得出3轴加速度。 在这里，设定精度要求为 0．5mg，故硬件设定 为：去耦电容 CDc=0、1 F，T2=1ms，RSET= 125ki2，C =C =0．1肛F。对于 CDc，C ，C 应尽 量贴近器件以防干扰，同时 RSET应贴近 了、2以防寄 生电容的产生。电路图如图8所示。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年 12月 中国制造业信息化 第 36卷 第 23期 图 8 加速度测量电路 4．1．2 软件设计 选用 LT89S52的晶振为 12MHz，则测量外部 脉冲宽度最大为 500kHz，这是满足要求的。选择 TO作为计时器，并设计时方式为模式 1，lms对应 于 1 000个机器周期。应用 Keilc进行编程，可以 得到如下的程序，这里只列出x轴的程序。 1、MoD：0x01； ／／设定 1 工作方式 TL0=0； ／／设计数初值 TH0=0； TF0=0； while(gx){} ／／sbit gx=P1^0； while(!擘p(){} ／／等待高电平 TR0=1； ／／是高电平则启动 TO while(gx){} TR0=0； ／／低电平停止 TO C=TH0； ／／将计数赋给变量 d=TL0； temp=C*256+d： Ux=temp／1000．0；／斛 算占空比 4．2 地磁场测量的软硬件设计 4．2．1 硬件设计 地磁场测量主要由2片HMC1022、555定时器、 1、I 543和单片机 灯 89S52组成。两片 vIC1022 分别测出X，y，Z轴上的地磁场，输出到 TLC2543， 转换为数字量后输入到 P1口。555定时器用来发 出置位／复位脉冲信号，完成传感器磁场复位。电路 如图9所示(Z轴的测量没有给出)。 4．2．2 软件设计 本部分的软件设计主要是 由 TLC2543将 HMC1022的模拟量变为数字量。TLC2543是 TI 公司的 12位模／数转换器，采用开关电容逐次逼近 技术完成模数转换过程，最大采样速率为 66ksps， 转换时间为 10 s，供电电流仅需 lmA。AT89S52 的 P1口和 TLC2543的相应 的端 口相 连，对 TLC2543进行控制，Keilc程序如下。 CLOCK：0； ／／清 I／0时钟 一 CS=0； ／／设置片选为低 EOC =1； ／／置EOC，允许输出输入 poa< < ：4： ad：0； ／／变量 ad置零 for(i：0；i<12；i++) }if(D～OUT)ad J=0x01；／／输 出的信号(上次转 换结果)是高，则赋给 ad的最低位 D — IN=(bit)(po~&0x80)；／／毕苷控制数(下次转换 的控制数)的最高位输入到2543 CL()( =1； ／／控制时钟信号 delay(3)； CLOC K=0； delay(3)； port<<=1； ／／控制数左移一位 ad<<：1；} ／／车专换结果左移一位 一 CS=1； ／／片选置高，禁止工作 ad>>：1； ／／修正结果 retum(ad)； 4．3 系统 电路 在上述基础之上，我们可以得出整个系统电路 框图，如图10所示。由加速度测量模块和地磁场 维普资讯 http://www.cqvip.com ·智能控制技术· 赵灿先 陈云飞 杨决宽 等 基于加速度传感器和磁阻传感器的空间⋯一 73 图 9 地磁 场测量电路 测量模块测出的 ，gy，g 和m ，m ，m 通过中 心的 CPU按照式(7)、(8)和(9)进行计算，然后将 结果输出到显示器上。 5 结束语 图 10 系统电路框 图 基于加速度传感器和磁阻传感器设计的空间 三维角测量仪，响应速度快，使用方便，可以满足工 程应用对倾角测量的要求。 参考文献： [1] Xu Tao，Luo Wusheng，Lu Haibao，et a1．Design of under． ground sonde of a directional drilling locator system[J]．Sensor and Actuators A：Phys，2005(2)：427—432． [2] 周 华，朱 均，徐 华．数字式 MEMS加速度传感器 ADXL202及应用[J] 仪表技术与传感器，2003(8)：27—28． [3] 赵望达，彭势清，吴 敏．数字加速度传感器 ADXL210在轨 检仪中的应用[J]．工业仪表与 自动化装置，2003(1)：l5— 17． [4] 邓 滔，徐 勇，潘成源，等．磁阻传感器在车辆航位推算系 统中的应用研究[J]．国外电子测量技术，2005，24(增刊)： 14—18． Design of the Instrument Measuring 3D Angles in Space based on Accelerometer and M agn etic Sens or Zhao Can—xian，CHEN Yun—fei，YANG Jue—kuan，WANG Yu—juan (Southeast University，Jiangsu Nanjing，211189，China) (下转第77页) 维普资讯 http://www.cqvip.com ·应用研究· 韩满林 油封泄漏因素分析与解决措施的研究 77 部翻起来而漏油的现象比较多见。还常常发现油 泵、油马达反转时，油封常被冲破，所以要特别注意 油封处的密封压力不要超出油封的规定。近年来 国内已出现密封压力可达 3．00～7．00MPa的油封 (结构方式如图4所示)，可以选用。装配时要谨防 自紧弹簧的松脱现象，并注意泵和油马达的旋向。 图4 油封结构方式 e．环境粉尘灰砂多，造成油封破损而漏油。一 般结构形式的油封，是很难应付这种恶劣的工作环 境的，可采用DKB型油封(日本产)，由于其唇部上 采用了加强骨架，使用中唇部还能刮去轴上的土 泵”的公式进行计算： ： ·厂 式中： 为油的动力黏度； 为轴的表面线速度；L 为唇El长度；C为唇El与轴间隙； ． 厂为螺纹结构参 数。 (2)正确使用唇口材料。由于属于宽唇口，有 很大一段要处在干摩擦条件下工作。为了保证唇 口在高压、变速条件下长期工作 ，可选用具有良好 “自润滑”性和耐磨性的聚四氟乙烯塑料作唇 口。 该材料的摩擦系数低(0．02～0．04)，耐热性好(可 在 260℃下长期工作)，还具有优良的化学稳定性。 但为了克服磨耗大和冷流性高的缺点，还必须采用 填充剂(石墨、玻璃纤维、青铜粉以及高性能塑料 等)，这样可使聚四氟乙烯耐磨性得到成倍的提高， 因而克服了“冷流性”。还可利用热处理等方法，诱 发出材料的“自收缩性”，在不用自紧弹簧的条件下 也能保证唇 口紧紧抱在轴上，使单唇 口油封能耐 1．00MPa油压，双唇口能耐 3．50MPa的油压。 砂，从而可延长使用寿命。 f．线速度太高，油封漏油。此时可采用新型油 5 结束语 封，它有以下特点： (1)在结构上它属于唇型油封，但它与轴的接 触宽度较宽，单唇 口为 5～10mm，双唇口为 12～ 15ram。另外唇 口内壁刻有与轴的旋向相反的螺 旋槽。随着轴的旋转，黏附在轴的表面的油膜在螺 旋槽的作用下会产生向内(压油侧)的推力，如果油 封设计正确，使其产生的推动力 P大于被封油腔 内的压力P，就能实现密封。P可按“动力粘性螺旋 油封在安装和使用时造成泄漏因素很多，需要 认真查找，逐一分析，分清主要问题和次要原因，尽 早采取解决措施。保证密封质量，延长油封的使用 寿命，从而提高液压系统的可靠性。 参考文献： [1] 陆望龙．实用液压机械故障排除与修理大全[M]长沙：湖南 科学技术出版社，2006． Research on the Factors Analysis of Oil Seal Leaks and Measure HAN Man—lin (Nanjing College of Information Technology，Jiangsu Nanjing，210046，China) Abstract．It discusses how to choice the purchase design oil seal，analyzes the installation of oil seal and the shaft spare parts，puts forward an environment condition with other influence，presents the method to raise the oil seal credibility and lengthen the service life of oil sea1． Key words：Raise；Oil Seal；Credibility；Lengthening Se rvice life (上接第73页) Abstract：It describes the relation the three axes in the sensors and the gravity field and earth magnetic field to elaborate the principle of measuring 3D in space，introduces the principle of the accelerometer ADXL202 and that of the magnetic sensor HMC1022，analyzes the error of sensors，designs the hardware and software im． plement． Key words：Accelerometer；Magnetic Se nsor：M easure Instrument；3D Angles；M CU System 维普资讯 http://www.cqvip.com