ifm：傾角傳感器天旋地轉(zhuǎn)中保持清醒的秘訣是?

ainet.cn 2023年02月22日

機器或機器部件的水平對齊是可靠運行的重要前提，傾角傳感器有助于對準(zhǔn)角度或確定機器的位置。對傾角的測量實際上包含以下情況：傾斜、翹起、梯度、下傾、降落、坡度、繞射、彎曲、下降。嚴(yán)格地說，被稱為傾角傳感器的實際上是加速度傳感器。目前市面上大多數(shù)傾角傳感器都采用MEMS 技術(shù)。

01 MEMS技術(shù)

當(dāng)今市場上的大多數(shù)傾角傳感器(也稱為測斜儀、傾斜或斜率傳感器)都具有多軸 MEMS(微機電系統(tǒng))加速度計。這些類型的測量元件非常小、精確且堅固，而且無磨損并且免維護(hù)。

MEMS單元示意圖

1) 帶電極和彈簧的移動質(zhì)量塊(慣性質(zhì)量)

2)固定電極

MEMS測量單元由兩個主要部件組成 —— 一個可移動的電子部件和一個固定的機械部件。

可移動部分由一個質(zhì)量塊組成，質(zhì)量塊的外緣由彈簧懸掛著電極。

固定部分由固定電極組成。

彼此以極小的間距排列形成一個“梳子”。

當(dāng)傳感器處于水平位置時，傳感器的z軸通常平行于地球矢量。因此，它的值是“絕對”零。如果傳感器向一個方向傾斜，內(nèi)部的可移動塊及其電極將改變相對于固定電極的位置。

MEMS單元詳細(xì)視圖

1)運動(加速度)

2) 梳狀電極彼此之間的距離約為1.3 μm

這兩個電極之間的電容變化由測量單元檢測并用于計算最終角度值。

傾角傳感器可劃分為靜態(tài)和動態(tài)兩種，適用于不同的應(yīng)用環(huán)境，ifm根據(jù)用戶需求提供合適的系列產(chǎn)品。

02 靜態(tài)傾角傳感器

此類傾角傳感器主要用于剪刀式升降機等靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)用。這種機器需要很高的靜態(tài)精度，但是傳感器受到的振動很小。在外部加速度更頻繁的應(yīng)用中，可以使用軟件濾波器來平滑傳感器信號。

此類傳感器的數(shù)字濾波器通常是“移動平均”濾波器。缺點是，雖然這些值看起來更加穩(wěn)定，但傳感器的響應(yīng)時間會受到影響。在極端情況下，必須找到穩(wěn)定性和響應(yīng)時間之間的權(quán)衡。

ifm提供的JN系列靜態(tài)傾角傳感器

機器或機器部件的水平對齊通常是可靠運行的重要要求?；陟o態(tài)測量原理的傾角傳感器設(shè)計用于固定式移動機械的角度位置檢測或水平調(diào)整。

它們通常用于工作平臺上的位置檢測或移動式起重機或挖掘機的水平調(diào)整。工業(yè)應(yīng)用包括太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)。

JNxxx0型號產(chǎn)品具備的附加功能

集成的MEMS測量單元可以并行(通過 CANopen 和 J1939)或串行(通過 IO-Link)轉(zhuǎn)換加速度計的所有原始3D數(shù)據(jù)成為2D傾角數(shù)據(jù)。

可以直接讀取三個軸的計算特征值，例如振動速度[v-RMS]和振動加速度[a-Peak]。

可以通過設(shè)置預(yù)定義的濾波器級別(例如 0.1-10Hz)和軸的選擇以適合應(yīng)用需求。

測量單元的低頻檢測范圍使其能夠檢測符合ISO4866的結(jié)構(gòu)振動或塔架振動或符合ISO10816的監(jiān)測機器。

典型應(yīng)用是冷卻塔和風(fēng)塔或地震檢測系統(tǒng)。

靜態(tài)傾角傳感器的限制

在具有強烈沖擊和振動的靜態(tài)應(yīng)用中，測量信號的軟件濾波或阻尼可能不夠。此外，由于應(yīng)用的原因，信號穩(wěn)定性和響應(yīng)時間之間的折衷通常是不可能的。另外，車輛在啟動和制動瞬間的加速度會對測量結(jié)果產(chǎn)生重大影響，因為靜態(tài)傾角傳感器無法區(qū)分實際加速度、地球重力(參考)和上述動作引起的外部加速度。該偏差取決于相應(yīng)加速度的強度和速度。

對于此類應(yīng)用，建議使用加速度補償(動態(tài))傾角傳感器。它們基于更先進(jìn)的相較于準(zhǔn)靜態(tài)傾角傳感器的技術(shù)。

1 = 額外加速度的方向

2 = 由1引起的測量值誤差

3 = 重力矢量(參考1g)

4 = 測得的角度值

5 = 根據(jù)“右手法則”定義角度

03 動態(tài)傾角傳感器

加速度補償傾角傳感器特別適用于承受突然運動、沖擊和振動的移動機器和車輛，并且需要快速響應(yīng)和高信號質(zhì)量。這種類型的傾角傳感器結(jié)合了熟悉的3D MEMS加速度計和3D陀螺儀。

加速度計間接測量傾角(如靜態(tài)傾角傳感器)，而陀螺儀確定旋轉(zhuǎn)速率。無意的外部加速度對加速計有巨大影響，但對陀螺儀測得的旋轉(zhuǎn)速率影響有限。創(chuàng)新的智能算法將來自兩種測量原理的信號結(jié)合起來，以便完全補償上述影響并立即輸出。

ifm提供的JD系列動態(tài)傾角傳感器

JD系列動態(tài)傾角傳感器在信號質(zhì)量和響應(yīng)特性方面樹立了新標(biāo)準(zhǔn)。他們使用3D陀螺儀傳感器和3D加速度傳感器。帶有智能傳感器融合濾波器的6軸 IMU(慣性測量單元)在此基礎(chǔ)上確定精確的傾角值。由于振動、沖擊或啟動和制動行為而導(dǎo)致的在移動應(yīng)用中的干擾不會使測量值失真。

JDxxxx型號產(chǎn)品具備的附加功能

動態(tài)傾角傳感器的主要目的是提供傾斜角度的穩(wěn)定(加速度補償)數(shù)據(jù)，而無需配置任何傳感器參數(shù)。然而，對于具有CANopen或J1939接口的動態(tài)傾角傳感器，也可以分別為三個軸中的每一個輸出加速度力(加速度計)和旋轉(zhuǎn)速度(陀螺儀)。這些測量值存儲在可映射的CANopen或J1939對象中。

監(jiān)測沿一個或多個軸的加速力可用于在控制器側(cè)實現(xiàn)附加功能或安全功能。當(dāng)超過某個加速度閾值時，控制器可以停止機器。

利用關(guān)于z軸旋轉(zhuǎn)速度的附加信息，例如可以測量機器的水平(偏航)旋轉(zhuǎn)并檢測相應(yīng)車輛的行進(jìn)方向。

04 使用注意

每個傾角傳感器出廠時都經(jīng)過絕對校準(zhǔn)。使用的參考是重力矢量，即重力加速度1g (= 9.81 m/s2)。如果傳感器的測量軸與地球矢量平行或重合，則不能進(jìn)行角度測量;傳感器在此位置缺失方向。因此，無法圍繞垂直參考軸(偏航角)進(jìn)行直接角度測量(旋轉(zhuǎn)檢測)。然而，偏航角可以通過外部 PLC 間接計算。

角度定義