倾角传感器的精度分析和技术讲解

倾角传感器是用来测量物体相对于水平面的倾斜角度，在平台调平，机械制造，安全防护，精密测量等众多领域有广泛应用，制造厂家也很多，但市面对倾角传感器的精度的理解却含混不清甚至存在偏差。

首先定义倾角传感器精度：精度是指传感器测量的角度与真实角度之间的误差。这个误差通常定义为均方误差。即多次测量结果与真实值之间的均方根值。

本文将以加速度传感原理的倾角传感器为例，来详细描述影响传感器的精度的因素。加速度传感器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。

其中g表示重力加速度，a表示加速度传感器测量的倾角值，α是倾斜角。

影响倾角传感器的测量精度与以下指标密切相关：

噪声——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。一般来说频响越高，噪声越大。噪声决定了传感器的分辨率，如果角度变化很小，以至于这种变化几乎淹没在噪声中无法分辨，则我们就认为该角度变化为倾角传感器的分辨率。

零点偏置稳定性——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。零点偏置对传感器的精度影响并不可怕，因为零点偏置可以通过校准的方式消除。但是零点偏置通常随着时间和温度变化漂移，该漂移量称为零点偏置稳定性，这种漂移通常很难消除，于是该漂移量会引起精度恶化。

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。非线性虽然可以通过后续校正方法来校正，但是非线性也同样存在漂移现象，该漂移量也同样无法消除从而引起精度恶化。

交叉耦合误差——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°的单轴倾角传感器（假定X方向为倾角测量方向），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+5°），传感器的输出信号会因为这个10°的倾斜而产生额外误差，这个误差称为交叉耦合误差。这个额外的误差因不同的产品而定。当倾角传感器的交叉耦合误差为3%FS(FS: full scale, 全量程),产生的额外误差为3%×10°=0.3°，而传感器实际输出的角度简单估算为5.3°(=5°+0.3°)。此时，即使倾角传感器的非线性误差达到0.01°,相对交叉耦合误差而言，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，不能不将交叉耦合误差计算在内，否则将引起很大的测量错误。

安装误差——传感器在安装测量时，测量轴应该与传感器的敏感轴重合。但是在实际安装测量时，总是无法准确的吻合。比如，安装测量轴与传感器敏感轴之间的夹角为1度，则测量值为实际角度变化在敏感轴上的投影。如果角度变化为30度，则测量值为30*cos(0.1)=29.995度，误差0.005度，因此对于高精度的应用，保持测量轴和传感器敏感轴吻合非常重要。

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。

量程——由于倾角测量与加速度之间的关系是正弦关系，所以角度测量误差和加速度测量误差之间满足以下关系式：

其中dα是倾角测量误差，da是加速度测量误差，当量程接近90度时，加速度a接近重力加速度g，此时 接近无穷大，所以轻微的加速度误差引起很大的倾角测量误差。

由此可见，倾角传感器的系统误差包含了噪声、零点偏置、重复性和温漂的重复性，不能进行修正和补偿；随机误差则包含了交叉耦合误差、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。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。

因此，倾角传感器误差应该包含非线性、重复性、噪声、零点偏置漂移，零点非线性漂移以及交叉耦合误差等。

由于精度涉及的因素很多，所以无锡慧联信息科技有限公司针对不同的误差原因，一一进行排除校正，从而无需用户对这些指标进行深入考虑，用户只需要按照一些基本的安装要求操作就可以满足精度指标。这样可以大大减少用户的工作。

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