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徠卡NIVEL200精密傾斜儀的傾角傳感器的精度理解

發布時間:2019/04/11 丨 文章作者:徠測科技 丨 瀏覽次數:

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首先,我們需要分析影響傾角傳感器測量精度的因素有哪些,再討論如何確定傾角傳感器的精度的定義。
以加速度原理的傾角傳感器為例。它是測量重力加速度在加速度傳感器敏感軸上的分量轉換成角度數據,即傾角值與加速度值成正弦關系。這個原理在很多文獻以及產品說明中給予了充分的說明。
徠卡NIVEL200精密傾斜儀測量現場
從這個角度上理解,只有具有DC響應的加速度計才能測量傾斜角度。實質上,傾角傳感器具有加速度計的屬性,因此研究加速度測量過程中產生的誤差來源,就可以確定傾角傳感器的誤差來源。從眾多的文獻資料中可以發現,加速度計的測量精度與以下指標密切相關:
靈敏度誤差、零點偏置、非線性、橫軸誤差、頻率響應、輸入軸非對準性、重復測量精度、垂直軸非對準性、溫度對零點和靈敏度的影響(含漂移和溫度曲線的重復性)、噪聲與噪聲密度等。
不難發現,重復測量精度難于補償,取決于核心敏感器件的自身特性;溫度曲線的重復性也取決于核心敏感器件的自身特性,難以通過補償來提高;靈敏度誤差也取決于核心敏感器件的自身特性,但同時與頻率響應關聯;噪聲與噪聲密度可以通過后續電路進行硬件濾波或軟件濾波等方式降低;由于用來作為傾角傳感器的加速度計的頻率響應一般在30Hz左右,經過實際的測試,對靈敏度的影響很小,可以忽略不計。
 
由此可見,作為傾角傳感器的核心敏感部件的加速度計,其橫軸誤差、輸入軸非對準性、垂直軸非對準性、非線性需要計入到傾角測量的誤差因素內。而不能僅對非線性進行補償,而作為傾角傳感器的測量精度。
允許輸入軸不重合度是指傳感器在實際安裝過程中,允許傳感器的水平(Z方向)安裝偏差,該指標實際包含了輸入軸非對準性、垂直軸非對準性兩個方面的誤差。一般地,傾角傳感器在安裝時要求傾斜方向與傳感器的指定邊沿保持平行或者重合,該指標表示可以允許有一定的安裝角度偏差而不影響傳感器的測量精度。當傾角傳感器自身的靈敏軸與實際的傾斜方向不重合時,隨傾斜的角度增大,產生的額外誤差呈正弦變化。實際測試表明,當傾角傳感器自身的靈敏軸與實際的傾斜方向的夾角超過3°,對于±30°量程±0.01°線性誤差的傾角傳感器,所產生的額外誤差會達到±0.3~0.5°,也遠大于非線性誤差。
因此,對于傾角傳感器而言,其常溫測量精度應該包含非線性、重復性、遲滯、零點偏置以及橫軸誤差,進行誤差合成的計算公式為:
Δ=±(非線性2+重復性2+遲滯2+零點偏置2+橫軸誤差2)1/2
其他工作原理的傾角傳感器也應該按照同樣的誤差計算方法來確定其精度指標,而不能僅將非線性作為精度。
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