微型数字测角仪设计

　　当前,机械测绘行业在测量角度时大部分单位依然沿用传统的机械式测角仪或者是比较昂贵的三坐标测量仪。前者属于原始的检测方法,有诸多缺点,如功能单一、测量值因人而异、精度低、测量范围小、个别测量时间长等;后者成本较高,操作比较复杂。本文设计了一种数字式角度测量仪,它与机械式的测角仪相比,具有电子检测、即时数值显示、测量精度高、测量范围大,完全摆脱了传统测量方法,极大地提高了工作效率。与后者相比,具有成本低、体积小、使用及携带方便等诸多特点。

　　1　ADXL202介绍

　　1·1　ADXL202传感器简介

　　ADXL202传感器是美国ADI公司生产的双轴加速度传感器,测量范围在0. 5s内可以承受1 000g振动冲击。相对于传统的加速度计,它的成本比较低,而且直接输出数字信号,无需进行A/D转换。此外,该加速度计可以同时测量两个垂直方向的加速度,适用于静态和动态两种加速度测量。ADXL202传感器采用在硅片上经表面微加工的多晶硅结构,用多晶硅的弹性元件支撑它,并提供平衡加速度所需的阻力。在传感器上集成一套精密的信号处理电路,此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(DCM)数字信号输出。这种占空比调制信号可以直接通过单片机或计算机进行处理,使用非常方便。

　　1·2　引脚配置

　　ADXL202采用14引脚双列直插封装(DIP),外形及引脚功能如图1和表1所示。ADXL202有两种工作温度范围:商业温度范围为0~+70℃,工业范围温度为-40~+85℃。

　　1·3　功能框图

　　ADXL202内部结构如图2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32kΩ的固定电阻输出到脉宽占空比解调器,经过低通滤波后,模拟信号由DCM转化为脉宽占空比信号,既与加速度成比例的数字信号。其周期T2可由Rset设置,因此通过占空比T1/T2的值便可知加速度信号的大小及正负。

　　2　工作原理

　　2·1　ADXL202传感器原理

　　ADXL202输出数字信号的脉宽占空比与两根传感轴各自所感受到的加速度成正比。这些信号可直接传输给微处理器。ADXL202传感器采用垂直放置的两个完全相同的悬臂梁式力敏传感器构成倾角传感器。悬臂梁式力敏传感器由应变梁、应变电阻、重锤和传感器支架组成,应变梁上的4个应变电阻构成惠斯通电桥(Wheatstone Bridge),如图3所示。设重锤的质量为m,重力加速度为g,当测量基准面和水平面所夹的角度为θ时,传感器1#的输出为:

　　设U1输出电压值为Vx,U2输出电压值为Vy,Vx/Vy=mgsinθ/mgcosθ=tanθ,所以