基于ADIS16209的360°绝对式转角仪研制

　　大多数工程实践都离不开角度的检测, 而在诸如风力发电机组安装、风电叶片模具翻转等大型的同步控制系统中[ 1, 2] , 更是需要进行角度方面的测量, 并把各节点测量到的角度值信号实时地反馈到控制器, 以实施各节点的协调同步控制. 角度测量的方法很多, 传统的线绕式、金属膜式或导电塑料式电位器角度传感器精度差, 响应速度慢, 不适合快速高精度的测量; 而光电编码器和光栅角度传感器价格高, 耐振和耐冲击性能较差, 受坏境因素影响较大. 近年来新兴的微电子机械系统( MEMS) 器件则有效地克服了上述问题, 从而得到了迅速的发展. 作为MEMS 家族核心成员的MEMS 加速度计更是具有可靠性高、功耗小、精度高、启动快、性价比高等优点. 基于此, 本文通过分析双轴MEMS 加速度计的角度测量原理,设计了1 种基于MEMS 器件ADIS16209 的360b满量程的绝对式转角仪, 介绍了该转角仪的软硬件结构和传感信号处理方法, 并通过实验证明了它在大范围旋转角度测量中的可行性和优越性.

　　1 旋转角度测量原理

　　如图1 所示, 双轴MEMS 加速度计铅垂安装在绕水平面内的轴O 转动的待测系统上, Ax 和A y 为双轴加速度计的2 个垂直共面的敏感轴, Oc(待测系统定位点)为A x 和Ay 的交点, a x 和a y 分别为敏感轴Ax 和Ay 感应到的加速度值, 当Ax 轴(A y 轴)感应到的加速度方向沿它的正方向时, a x ( a y )为正, 反之a x ( a y )为负, H(- 180b[ A[ 180b)为矢量R 与x 轴正方向之间小于180b的角度, A(0b[ A[ 90b) 为A x 轴与所处象限横轴(x 轴)之间小于90b的夹角.

　　假设双轴加速度计在待测系统上的安装位置正好使Ax 轴的正方向沿着R 方向时, 则当定位点Oc位于第1 象限时a x 和a y 均为负; 当定位点Oc位于第2 象限时a x 为负、a y 均为正; 当定位点Oc位于第3 象限时a x 和a y 均为正; 当定位点Oc在第4 象限时a x 为正、a y 为负. 因此可得定位点O 位于第1 象限时:

　　由此可以根据a x 和a y 的正负先判定系统定位点Oc所处的象限, 再据此选择式(1) ~ (4) 中相应象限的计算公式即可解得H角(- 180b[ H[ 180b)的大小. 因为一旦测量位置确定, 式( 1)~ (4)中的a x , a y 的值就成为了确定值, 进而H角也是1 个随测量位置而确定的量, 在出现断电等情况时它不需要退回到初始位置重新计算, 即双轴加速度计进行旋转角度测量时具有绝对测量的特性. 此外, 由正切函数的特性可知, 双轴加速度计这种竖直构架的旋转角度检测在360b范围内都能获得很高的分辨率[ 3] . 当双轴加速度计安装在待测系统上, A x 轴的正方向并不是正好沿着矢量R 而是与矢量R 存在一定的夹角B( - 180b[ B[ 180b) 时, 可以得到与式(1)~ ( 4)类似的分段式的计算360b范围内H角的表达式.