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振南技术干货集：比萨斜塔要倒了,倾斜传感器快来！（6）

article 2024/11/19 0:32:15

注解目录

1、倾斜传感器的那些基础干货

1.1 典型应用场景

（危楼、边坡、古建筑都是对倾斜敏感的。）

1.2 倾斜传感器的原理

1.2.1 滚珠式倾斜开关

1.2.2 加速度式倾斜传感器

1)直接输出倾角

2)加速度计算倾角

3)倾角精度的提高

（如果没看懂，振南教你个好办法：再看一遍。）

2、倾斜传感器温漂校准的基础知识

2.1 温漂产生的根源

（万物皆受温度影响。振南给你讲讲“调皮的尺子”。）

2.2 温漂的真实例子

（某项目的奇怪现象，一到中午数据就乱跳。亮一下壮观而精密的自动化校准装置。）

3、静态温控的实现与温补装置的迭代

3.1 制冷原理

（振南告诉你如何对传感器温漂校准。温度控制不难，但是不允许有振动，你作得到吗？）

3.2 静态温度控制

3.2.1 TEC 制冷

3.2.2 散热方案

3.2.3 倾角温补校准装置设计方案

3.2.4 多级 TEC 制冷

3.2.5 物理制冷

3.2.6 半导体制热

3.2.7 温控策略

3.2.8 多路温度的同步控制

（如何安静的制冷？TEC 及阵列、水冷、干冰、铝注冷技术、PTC、保温材料、比热容、热阻，还有温控算法，这些你应该了解一下。）

4、倾角校准与数据拟合

4.1 倾角校准装置的构成

4.2 倾角温补校准与数据拟合

4.3 分段校准的质疑

（多阶拟合算法，还有开源的 Polyfit 方案。来看看最终效果：温度乱舞，传感器却无波动。）

5、其它细节

5.1 真值的读取

5.2 规避震动干扰

5.3 克服地面不平问题

5.4 减震设计

（万事的成败在于细节。）

其它细节

上面振南所说的只是一些大体的原理与方法,实际上这套自动化倾角校准装置开发过程中有很多的边角细节,它们对最后的校准效果、易用性及稳定性都是至关重要的,正所谓成败在于细节。

5.1 真值的读取
校准过程中的真值,也就是标准倾角值是非常重要的。所有的采集值最终都要校准到标准倾角值上。一开始我打算用电动倾角台自身回读的角度,它是运动控制器基于电机控制相关参数计算得到的值。为了得到更高的精度,我在采购电动倾角台的时候,把步进电机换成了伺服电机，机械精度可以达到士0.01°(步进电机的话是士0.05°)。

伺服电机的价格是比较昂贵的，而且靠倾角台自身回读角度会有机械累计误差的问题。所以我想到一个办法:用一个经过严格校准的高精度双轴倾角传感器作为标准倾角，而且它并不需要进行温补(它将被放置于保温结构之外，仅工作在室温).如图 16.45 所示。

图16.45 放置于保温结构之外的标准倾角传感器

5.2 规避震动干扰

在一个温度段中,倾角台按步进角遍历各个角度，在转动到位之后，我们读取标准倾角值和各个传感器的原始倾角值，进而作拟合。但是实际我发现拟合结果非常差，同时采到的倾角值也很不稳定。为什么明明转动到位了，但是却采不准呢?后来我才明白怎么回事:在转动到位之后，不能马上读取倾角值,而要等几秒钟。为什么? 请看图 16.46。

图16.46 步进角度停止时产生的振动

5.3 克服地面不平问题

首先我们要知道这世界上没有绝对水平的平面,实际倾角校准的场地极有可能并不水平，我们不能苛求校准工作平面的水平度,而是要容忍地面不平的情况。

校准其实是对传感器的原始倾角进行校准,仔细想想,我们就会明白只需要电动倾角台预留一定的量程余量,即可容忍一定的地面不平问题。

假设当前电动倾角台的实际量程为士38°,对于量程为士30°的倾角传感器来说,校准工作平面有约士5°的水平误差容忍度(理论上是士8°,主要考虑留出富余量),如图 16.47 所示。

5.4 减震设计

我知道一些专业的传感器厂家,为了校准他们的 MEMS 芯片,都有专门的场地。这些场地都是单独打的地基,更有甚者把场地设在山里，远离闹市。可见对于 MEMS 相关这类传感器,比如倾角、加速度,校准时的外界震动对最终效果的影响之大。

我们不可能为倾角校准专门打地基,场地的震动条件是无法严格保障的。我们的场地大多是办公楼.可能在高层.可能紧邻道路。所以我们要想办法过滤掉这些外界震动。使其不至于太影响到校准的效果。严格来说,在这样的场地中,是不可能校准出非常高精度的倾角传感器的,我们只不过是在寻求一个折中的方案。在现有的环境下,尽可能地让校准效果更好。

要减震,校准装置一定要有一个非常重的基座，如图 16.48 所示。

整个基座部分重约 100 kg,再加上底座是专业的减震装置,使得这套装置在一般的办公环境下最佳校准精度也能达到士0.005°。

图16.47 倾角校准时地面不平的情况