цифровой инклинометр что это

Назначение инклинометра

Для чего нужен такой прибор – инклинометр? Об этом рассказывает ниже наша статья.

Начнем, традиционно, с определения. Определения угла отклонения оси скважины по отношению к устью… Именно этот процесс и называется инклинометрией. Для этого измерения необходим прибор инклинометр. Как вы уже поняли, этот прибор активно используется в добывающей промышленности.

Инклинометры бывают двух типов:

Дальше мы коротко расскажем, для чего используются и чем отличаются два этих вида инклинометров.

Электрические инклинометры

Инклинометр электрический применяется для обследования необсаженных скважин. В основе устройства этого прибора – подвешенная в корпусе рамка, располагающаяся горизонтально по отвесу. По реохордам углов наклона и азимутов скользят стрелка буссоли и указатель наклона, которые находятся на подвешенной рамке. Они попеременно осуществляют подключение к источнику электрического тока и таким образом передают напряжение с реохордов.

Гироскопические инклинометры

Гигроскопические инклинометры используются в тех случаях, когда необходимо провести измерения обсаженных металлическими трубами скважин. Инклинометр такого типа работает на основании свойства гироскопа – сохранение оси вращения неизменной в пространстве. В устройстве такого инклинометра используется два гироскопа – один из них измеряет азимут, а другой – угол наклона. Угол наклона можно измерить путем совмещения оси вращения гироскопов и вектора направления скважины. Для этого составляют специальные электрические схемы.

Применение инклинометров

Значимость использования инклинометрии на практике обусловлена высокой точностью измерения углов – точность остается очень высокой, даже учитывая, что ось глубокой скважины может отклоняться на глубине от вертикали на сотни метров. Точность измерения азимутов инклинометрами достигает нескольких градусов.

При бурении вертикальных скважин с помощью прибора для инклинометрии можно определять азимут наклона оси от угла 0,3 градуса. Особо точным должно быть наведение на продуктивный пласт и вычисление возможности проведения долгих работ на этом месте.

Современные инклинометры способны приспосабливаться к разным условиям и легко встраиваться в другие виды техники. Например, гироскопический инклинометр часто применяют в комплексе с различными каротажными станциями, благодаря чему можно производить измерения наклонных, вертикальные, обсаженных и других скважин. Также с помощью гироскопического инклинометра можно обследовать скважины, в породе которых присутствуют ферромагнетики.

Наша компания представляет инклинометры производителя измерительной продукции POSITEK. Большой ассортимент позволяет выбрать наиболее подходящий прибор для конкретного применения.

Источник

DXL360S, двухосевой цифровой угломер

Увидел я случайно одну небольшую, но предположительно любопытную вещь и подумал, что интересно было бы рассмотреть ее поближе.
Инструмент не очень распространенный, я бы даже сказал — нишевый, но в некоторых ситуациях весьма полезный.

Данный обзор будет написан в весьма несвойственном для меня стиле, как минимум он будет коротким, а как максимум, в нем не будет привычной многим разборки предмета обзора, но всему есть свое объяснение и я попробую дать его в процессе.

Данный прибор имеет несколько названий, например — Уклонометр, Угломер, Protractor, Цифровой транспортир, Инклинометр, Двухосевой уровень.
На мой взгляд корректнее — Угломер или Двухосевой уровень.

В качестве стандартного начала несколько фото упаковки.
Коробка универсальная на две модификации прибора в двух вариантах каждого.

Внутри находится лоток из вспененного полиэтилена, прибор и все остальное сидит очень плотно, что весьма неплохо при условии покупки издалека.

Комплектация скромная, впрочем я даже не знаю, что сюда еще можно добавить.
1. Цифровой угломер DXL360S
2. Зарядное устройство
3. USB-miniUSB кабель
4. Инструкция и гарантийная карточка.

Инструкция на двух языках, английском и китайском. Для удобства прилагаю PDF версию инструкции.

Ну а также заявленные технические характеристики. Отдельно скажу, что существует две основные версии прибора, DXL360 и DXL360 V2, в обзоре пойдет речь о новой версии.
Кроме того каждая из версий имеет три варианта реализации, DXL360, DXL360S, DXL360SC, он них я также скажу пару слов.

Характеристики
Точность: DXL360S:
0 to 20°: ± (0.05°)
20 to 70°: ± (0.1°)
70 to 90°: ± (0.05°)
*После калибровки

Диапазон измерения: Одна ось: 360°, Две оси: ±40°
Разрешение: DXL360S: 0.01°
Any Angle Measurement 0.5°
Gyro Rotation Speed: Планирую купить +25 Добавить в избранное Обзор понравился +51 +77

Источник

Инклинометрия

Геотехнический мониторинг и контрольно-измерительные приборы ‒ это обширная область, которая включает управление рисками, структурный мониторинг здоровья, предотвращение опасностей и системы раннего предупреждения с использованием геотехнических датчиков. Одним из таких геотехнических инструментов является инклинометр (датчик угла наклона).

Инклинометр ‒ это датчик, который измеряет величину наклона, крен, отклонения объекта относительно силы тяжести. Датчики измерения наклона бывают разных типов и размеров.

Здесь мы обсудим все различные типы инклинометров, как они работают и для чего они используются.

Инклинометр используется для измерения величины угла наклона или угловых деформаций любой конструкции. Величина отклонения изображается в процентах или градусах относительно гравитационного поля Земли.

Разные типы инклинометров применяются в различных областях:

— В горном деле инклинометром определяют угол и азимут искривления буровой скважины, тем самым контролируя её пространственное положение

— В подъёмных кранах инклинометры применяются для контроля рабочего и остаточного прогибов стрелы, а также для контроля угла наклона крана в целом

— Контроль безопасных углов наклона автокранов и землеройных машин, в особенности — крупных

— Контроль состояния опор мостов, трубопроводов

— Слежение за состоянием архитектурных сооружений и высотных зданий

— Непосредственное измерение углов наклона транспортных магистралей с движущегося транспортного средства

— Контроль угла наклона кузова автомобиля в противоугонных системах.

Выделяются следующие сегменты потребителей:

— Проектные институты, строительные компании, собственники зданий, эксплуатирующие и сервисные организации и т.д.

— Крупные энергетические корпорации – РОСАТОМ, РУСГИДРО и т.д.

— РЖД, Метрополитен и т.д.

— Нефтегазодобывающие и перерабатывающие компании – ГАЗПРОМ, РОСНЕФТЬ, ЛУКОЙЛ, ТРАНСНЕФТЬ, СИБНЕФТЬ, ТАТНЕФТЬ т.д.

— Согласно постановлению № 375 ПП от 06.05. 2008 правительства Москвы системами мониторинга должны быть оборудованы:

— Технически сложные объекты (речные порты, аэропорты, мосты и тоннели, метрополитены, крупные промышленные объекты с численностью занятых более 10 тысяч человек)

— Высотные и уникальные объекты

В России ежегодно фиксируется от одного до двух десятков случаев частичного или полного обрушения строительных и инженерных конструкций, среди которых жилые дома, объекты инфраструктуры, промышленные и коммерческие объекты. В настоящее время наблюдается тенденция повышения внимания к безопасности различных объектов, конструкций и сооружений.

Для предотвращения деформаций и обрушений конструкций применяются различные системы мониторинга, позволяющие контролировать различные физические параметры и при необходимости оперативно предпринимать действия с целью предотвращения опасных ситуаций.

Использование систем мониторинга с применением инклинометров и других датчиков решает следующие проблемы:

— риски деформации, полного или частичного обрушения строительных и инженерных конструкций под воздействием различных факторов (превышение допустимой нагрузки, неправильная эксплуатация, изменение естественного баланса подземных вод приводит к изменению напряжённо-деформированного состояния грунтового массива и уплотнению грунтов в пределах депрессионных воронок, и пр.);

— риски выхода из строя важных объектов в случае деформации или обрушения;

— возможные человеческие жертвы при деформации или обрушении объектов.

Наши инклинометры широко используются при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.

Виды инклинометров настолько разнообразны, что при помощи комбинации необходимого оборудования (датчиков угла наклона, устройств сбора и хранения данных) можно решить любую даже самую сложную задачу в строительстве, горнодобывающей промышленности и других областях.

Процедура установки инклинометра зависит от области применения. Он может быть установлен вертикально, чтобы контролировать откос выемки или любое движение в стенке и насыпи. Для контроля осадки грунта над местом туннелирования инклинометры устанавливаются горизонтально.

Типы инклинометров обычно классифицируются по нескольким признакам:

— По методам измерений

— По числу осей измерений

— По статичности объекта

— По способу регистрации измерений

1. Приборы, на основе кварцевой механике, маятниковые инклинометры одно- и двухосевые.

2. Приборы, на основе технологии mems, инклинометры одно- и двухосевые.

На данный момент использование мониторинговых систем на базе инклинометров, акселерометров и различных датчиков деформации распространено. Однако инклинометры (ИН120, ИН130, ИН203, ИН230) на основе датчиков из кварцевого стекла являются уникальными наклономерами. Использование кварца в качестве чувствительного элемента гарантирует высокую стабильность и высокую точность измерений. Мы рекомендуем высокоточную инклинометрию с применением кварцевых датчиков инклинометров для контроля устойчивости опор мостовых переходов, высотных строений, шахт и гидротехнических сооружений и других объектов, где критически важными параметрами являются надежность, долговременная стабильность и высокая точность измерений.

Разработка технологии датчиков на основе кварцевого стекла базируется на результатах научных работ, проведенных в лабораториях в Институте Физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.

Кварцевые цифровые инклинометр представляет из себя одно- ил двухосевые датчик измерений угла наклона, выполненный в виде автономного устройства. Принцип действия датчика основан на свойстве физического маятника занимать при наклоне корпуса положение, соответствующее истинной вертикали места. Физический маятник датчика изготавливается из кварцевого стекла, что обеспечивает высокую стабильность геометрических размеров и упругих свойств подвеса маятника. Что в свою очередь обеспечивает следующие результаты:

— конструкция не требует изготовления дополнительных деталей, что существенно упрощает процесс изготовления;

— прибор имеет небольшие габаритные размеры;

— высокая чувствительность датчика;

— кварцевая механика обеспечивает минимальный дрейф нуля;

— не подвержен механическому износу.

Инклинометры линейки ИН, диапазон измерений угловых перемещений по осям Х и Y, выпускаемые с диапазоном ±1°, ±3°, ±30°. Это цифровые датчики для измерений угла наклона различных объектов, относительно гравитационного поля Земли. Инклинометры линейки ИН широко используются при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений. Система измерений углов наклона предназначена для преобразования угловых перемещений и малых углов наклона в цифровой двоичный последовательный код и передачи его по интерфейсу RS-485. Установленный разъем для подключения инклинометра вилка РС7БТВ. Кабель для подключения инклинометра, НК-2 с розеткой РС7БТВ.

Кварцевые цифровые наклономеры линейки ИН это:

• Нечувствительность к повышенным вибрациям

• Двойная гальваническая развязка – по аналоговой и цифровой части

• Встроенная охранная сигнализация

Такие инклинометры называются MEMS-инклинометрами. В настоящее время технология MEMS (микроэлектромеханические системы) используется для создания датчиков угла и наклона. МЭМС состоят из механических элементов, датчиков, исполнительных механизмов и электроники на общей кремниевой подложке с использованием технологии микро-обработки.

Ускорение вызывает отклонение контрольной массы от ее центрального положения. Есть 32 набора радиальных элементов вокруг четырех сторон квадратной контрольной массы. Эти элементы расположены между пластинами, которые прикреплены к подложке.

Каждый элемент и пара неподвижных пластин составляют дифференциальный конденсатор. Отклонение контрольной массы определяется путем измерения дифференциальной емкости.

MEMS инклинометр цифровой двухосевой АЦт90, предназначен для непрерывного измерения углов наклона по двум осям X, Y на диапазон ±90°. Инклинометр АЦт90 Российского производства, внесен в реестр средств измерений как акселерометр-инклинометр АЦт90. Номер в Госреестре 73369-18. ⁠Свидетельство об утверждении типа средств измерений на акселерометр-инклинометр ОС.С.28.004. А №72174 от 14.12.2018г.

Двухосевой цифровой инклинометр, представляет собой преобразователь сигналов датчика угла наклона, включая калибровку, их преобразование в цифровую форму и передачу по интерфейсу RS-485. Рекомендуется сигналы интерфейса RS-485 и питание подавать одновременно по кабелю «витая пара».

Установка инклинометра на объекте, угловое положение которого необходимо контролировать, возможна как в горизонтальном, так и вертикальном положении.

Источник

Точное измерение наклона объекта с помощью специализированных MEMS-датчиков ST

Софья Букреева (г. Протвино)

Для измерения углов наклона в промышленности и в жестких условиях эксплуатации, а также при наличии дополнительных ускорений, обычных акселерометров недостаточно. Для этих целей компания STMicroelectronics выпускает специальные датчики – MEMS-инклинометры, 2- и 3-осевые – для статических измерений, и 6-осевые, с программируемым ядром машинного обучения и термокомпенсацией – для динамических.

Введение

Датчики наклона, также называемые инклинометрами, используются для измерения углов наклона относительно вектора гравитации Земли. Такие измерения востребованы в самых разных областях: от игровых контроллеров до сложных геодезических задач. В геофизике инклинометры используются для мониторинга вулканов и для измерения глубины и скорости оползней, их также используют при разведке полезных ископаемых. В строительстве инклинометры широко применяются для измерения сдвигов в стенах и земле, с помощью инклинометров определяют угол наклона и прогиб стрелы строительных кранов. Инклинометры помогают контролировать состояния опор мостов и транспортных магистралей, а также определять отклонения столбов уличного освещения, дорожных знаков и светофоров. Индикация тангажа и крена важна в эксплуатации морских судов и летательных аппаратов.

В медицине по показаниям инклинометров изучаются движения в суставах тела. Кроме того, инклинометры встраиваются в противоугонные системы транспортных средств, крепятся к упаковке товаров при транспортировке, позволяют регулировать положение солнечных панелей и имеют много других применений.

Важными характеристиками, которые следует учитывать при выборе инклинометра, являются диапазон угла наклона и количество осей измерения, которые, как правило, ортогональны. По технологиям, используемым для оценки наклона, датчики делятся на емкостные, наполненные жидкостью, с пузырьками газа в жидкости, электролитические, MEMS-акселерометры и инерционные IMU (Inertial Measurement Unit). MEMS-инклинометры завоевали популярность благодаря компактному размеру, низкой стоимости и простоте интеграции. Последние усовершенствования MEMS-технологии позволяют таким датчикам выигрывать также по шумовым характеристикам и показателям энергоэффективности.

Инклинометры можно разделить на две категории в зависимости от используемых алгоритмов:

На рисунке 1 представлены категории инклинометров и области их применения.

Рис. 1. Статические и динамические инклинометры и области их применения

Линейка промышленных акселерометров ST

Для определения наклона могут быть использованы акселерометры, измеряющие линейное ускорение. Промышленные акселерометры компании ST обладают расширенной функциональностью и идеально подходят для приложений с ультранизким потреблением. Они имеют режим пониженного энергопотребления, функцию автоматического пробуждения и буфер FIFO, который можно использовать для хранения данных, что снижает нагрузку на основной процессор и уменьшает энергопотребление системы в целом. Вся линейка оснащена последовательным цифровым интерфейсом (SPI и/или I 2 C) и функцией самодиагностики, которая позволяет проверить работоспособность датчика в готовом устройстве. Датчики могут генерировать сигналы прерывания по пробуждению, свободному падению и по положению.

Акселерометр идеален для статического инклинометра, где внешнее ускорение незначительно. Однако если объект вращается и испытывает значительные внешние ускорения, для стабилизации выходного сигнала наклона потребуются дополнительные измерения с помощью гироскопа. Для таких применений компания ST предлагает 6-осевые IMU iNEMO™, которые объединяют в компактном корпусе акселерометр, гироскоп и магнитометр и, кроме того, могут включать в себя специальное ядро машинного обучения.

В таблице 1 приведены основные параметры промышленных MEMS-акселерометров и 6-осевых IMU компании ST. Напряжение питания датчиков составляет от 1,71 до 3,6 В (от 2,1 В для IIS3DWB и IIS328DQ). Во все модели, за исключением акселерометра IIS328DQ, встроен температурный датчик.

Таблица 1. Основные параметры промышленных акселерометров и IMU компании ST

Теория измерения углов наклона

Измерение угла наклона акселерометром основано на измерении проекции вектора силы тяжести на ось измерения. Стоит иметь в виду, что акселерометр измеряет не только ускорение свободного падения, но и другие параметры: постоянное ускорение устройства, центростремительное ускорение за счет вращения устройства, вибрации. Эти дополнительные ускорения также проецируются на оси датчиков акселерометра и не могут быть легко отделены от ускорения свободного падения, что приводит к ошибке измерения. Поэтому для получения достоверных результатов необходимо проводить измерения только в статических или квазистатических условиях. Для других применений требуется использование динамических инклинометров и других методов измерений.

В статических или квазистатических условиях можно использовать три метода определения наклона в зависимости от количества осей измерения:

1. Использование одной оси акселерометра

При таком измерении датчик вращается вокруг одной фиксированной оси, ортогональной вектору силы тяжести (рисунок 2):

Рис. 2. Вращение датчика вокруг одной оси

Значение на выходе акселерометра будет равняться синусу угла наклона α – угла между горизонтальной плоскостью и осью измерения. Таким образом, угол наклона можно рассчитать по формуле:

где A_X – выходное значение акселерометра (проекция ускорения на ось измерения), g – ускорение свободного падения (9,81 м/с 2 ).

При измерении угла таким методом проявляются два недостатка: во-первых, величина чувствительности не является постоянной во всем диапазоне углов, а во-вторых, невозможно охватить полный угол в 360°. На рисунке 3 продемонстрировано изменение чувствительности измерения при изменении наклона. Видно, что чувствительность максимальна при наклоне около 0° и уменьшается с его увеличением.

Рис. 3. Изменение выходных данных акселерометра при изменении угла наклона

Рис. 4. Измерение углов α и π — α при одноосном методе

2. Использование двух осей акселерометра

Пример ориентации датчика при таком методе измерения представлен на рисунке 5:

Рис. 5. Измерение угла наклона по двум осям

Выходные значения по осям X и Y равны: A_X= g×sin(α) и A_Y = g×cos(α). Как и в первом методе, можно вычислить обратный синус и обратный косинус, чтобы получить угол наклона, однако лучше использовать соотношение обоих показаний акселерометра, что соответствует тангенсу угла, и угол наклона вычислять с помощью арктангенса:

Преимущество использования такого расчета состоит в том, что чувствительность во всем диапазоне углов остается постоянной (рисунок 6).

Рис.6. Чувствительность при измерении наклона по двум осям

Кроме того, появляется возможность проводить измерения в полном диапазоне 360°, так как ориентацию можно распознать по полярности двух осей измерения, как показано на рисунке 7.

Рис. 7. Определение квадранта угла по двум осям

Таким образом, двухосный метод позволяет преодолеть недостатки первого метода измерений.

3. Использование трех осей акселерометра

Трехосное измерение наклона используется для измерения тангажа и крена во всем диапазоне 360° (рисунок 8).

Рис. 8. Использование трех осей при измерении наклона

Соотношения выходных сигналов трехосевого акселерометра и углов наклона α, β и γ представлены ниже:

$$A_=g\times sin(\alpha ) \Rightarrow \alpha =arcsin\left(\frac> \right)\:[рад]\\A_=g\times sin(\beta ) \Rightarrow \beta =arcsin\left(\frac> \right)\:[рад]\\A_=g\times sin(\gamma ) \Rightarrow \gamma =arcsin\left(\frac> \right)\:[рад]$$

При использовании этих формул появляются те же недостатки, что и при измерении по одной оси, поэтому рекомендуется использовать при вычислении функцию арктангенса:

Источники ошибок и калибровка

Как и в любой электромеханической системе, на качество измерений акселерометров влияют такие факторы как шум, вибрация, смещение, дрейф температуры и т.д. Шум акселерометра возникает вследствие шума электроники, колебаний напряжения, ошибок АЦП и прочего. Естественный белый шум представлен плотностью шума в спецификации датчика. Даже при отсутствии собственного шума датчик может испытывать внешнюю вибрацию, которая портит сигнал. Точность измерений можно улучшить путем усреднения выходных данных по N выборкам, однако увеличение количества выборок увеличит задержку измерений.

От времени и температуры может меняться чувствительность датчика, ошибка чувствительности указывается в спецификации в процентах от младшего значащего разряда (LSB). Кроме этого, отклонения чувствительности характеризуют нелинейность датчика, которая указывается в спецификации как процент по отношению к полной шкале измерений: например, шкала ±2g и нелинейность 0,5% означают, что максимальная ошибка составляет 0,5% от 4g, то есть 2 mg. В случае неортогональных осей измерения может быть существенной ошибка кросс-осевой или поперечной чувствительности, возникающая, когда при ускорении по одной оси датчик измеряет некоторую часть ускорения и на другой оси. Ухудшать точность измерения наклона может также и некорректное расположение датчика: поворот корпуса акселерометра относительно печатной платы, т.е. несоосность датчика в конечном устройстве.

Смещение (постоянный уровень сигнала акселерометра при отсутствии ускорения) может меняться вследствие термических напряжений во время пайки, изменения температуры, старения и других факторов. С увеличением смещения ошибка измерений хотя бы по одной оси при разных углах будет возрастать, что приведет к увеличению общей ошибки, поэтому рекомендуется выполнять калибровку акселерометра.

В спецификациях указывается отклонение смещения при изменении температуры. MEMS-датчики компании ST имеют стабильные характеристики при изменении температуры, обычно не требуют температурной компенсации и хорошо откалиброваны при комнатной температуре (25°C). В отдельных случаях можно применить простую процедуру компенсации смещения: для этого нужно измерить сигнал с датчика в зафиксированном положении при двух разных температурах, отличающихся хотя бы на 10°C, вычислить коэффициент наклона прямой, полученной по двум значениям, и использовать вычисленное значение как поправочный коэффициент.

Для уменьшения ошибки смещения и повышения точности измерений можно выполнить заводскую калибровку датчика с использованием программных библиотек ST. Для таких применений как поворот экрана или обнаружение открытия/закрытия ноутбука дополнительная калибровка, как правило, не требуется. Однако в системах контроля уровня или автомобильных системах оповещения, когда нужна точность лучше 1°, рекомендуется калибровать акселерометр после его сборки в конечном устройстве.

Калибровка может осуществляться двумя методами: компенсацией смещения и усиления и методом наименьших квадратов. Первый метод наиболее прост и основан на установке датчика в нескольких положениях (рисунок 9).

Рис. 9. Расположение датчика при калибровке

Датчик необходимо размещать таким образом, чтобы вектор силы тяжести проецировался одновременно на одну измерительную ось. Затем это повторяется для всех осей в положительной и отрицательной ориентации. Это обеспечивает n*2 позиций, где n – количество осей. По показаниям датчика во время такой процедуры можно вычислить ошибки и учитывать их в виде поправочных коэффициентов.

Специализированные промышленные MEMS-инклинометры ST

Применение акселерометра для измерения наклона может быть целесообразным в некоторых приложениях, чувствительных к стоимости, но в промышленности, в жестких условиях эксплуатации, необходимо использовать специально предназначенные для измерения угла устройства – инклинометры. Кроме того, акселерометры подходят только для измерений в статических условиях, в случае дополнительных ускорений необходимо использовать динамические инклинометры.

Компания ST выпускает промышленные MEMS-инклинометры IIS2ICLX, IIS3DHHC для статических измерений и динамические инклинометры ISM330DHCX, ISM330DLC. Основные параметры этих датчиков и их особенности приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры и особенности промышленных инклинометров компании ST

Уровень шума – один из главных ограничивающих факторов при определении разрешения. Датчик будет распознавать изменения только в том случае, если амплитуда измеряемого движения выше уровня шума датчика. Таким образом, сначала необходимо определиться с нужной полосой пропускания, а затем подобрать подходящий по частоте дискретизации (Output data rates, ODR) и разрешению датчик. Шум датчика или разрешение, которое можно получить от него при определенной частоте дискретизации, вычисляется как плотность шума (из спецификации), умноженная на √ПП, где ПП – полоса пропускания, обычно вдвое ниже частоты ODR. Как правило, чтобы минимизировать среднеквадратичный шум, выбирается узкая полоса пропускания, однако более высокая частота дискретизации обеспечит быстрый отклик и даст возможность дополнительного усреднения шума основным процессором.

Точность измерений инклинометра определяется отклонением смещения и чувствительности, а также стабильностью по температуре. Несмотря на то, что смещение и ошибку чувствительности можно устранить заводской калибровкой, необходимо следить за этими параметрами в течение срока службы (в спецификации указаны изменения параметров датчика после выполнения однократной калибровки).

В таблице 3 приведены основные параметры точности из спецификаций датчиков. Здесь указаны максимальные значения, типичные значения, как правило, несколько ниже.

Таблица 3. Параметры точности инклинометров ST

Инклинометры IIS2ICLX и ISM330DHCX (с буквой Х в конце названия) имеют ядро машинного обучения (рисунок 10), которое позволяет интегрировать часть вычислительных алгоритмов в датчик, снижая тем самым нагрузку на основной процессор. Ядро машинного обучения сравнивает полученные датчиком данные с шаблонами, заданными пользователем. Так датчик может самостоятельно распознавать сильные вибрации, сложное движение, обнаружить активность и т.д. Входными данными могут быть показания внешних устройств (от внешнего гироскопа или дополнительного инклинометра, датчика температуры или давления), подключенных по интерфейсу SPI. Датчики IIS2ICLX и ISM330DHCX позволяют настроить до восьми одновременных и независимых потоков, каждый и которых может генерировать до 256 результатов и может служить источником прерывания. Результаты обработки ядром машинного обучения доступны в специальных выходных регистрах, которые можно прочитать с помощью процессора в любое время.

Рис. 10. Обработка данных ядром машинного обучения датчиков IIS2ICLX и ISM330DHCX

Для генерации прерываний в этих двух инклинометрах может использоваться программируемый конечный автомат, с помощью которого можно запрограммировать 16 независимых прерываний. В качестве данных для проверки условий прерывания могут быть использованы как показания самого датчика, так и показания внешних устройств. Прерывание генерируется при достижении конечного состояния или при выполнении определенной команды.

Инструменты для работы с инклинометрами

Для работы с MEMS-датчиками компания ST разработала материнскую плату STEVAL-MKI109V3 (рисунок 11) с микроконтроллером ARM Cortex-M4 STM32F401VE. Датчики подключаются к этой плате с помощью специальных плат-адаптеров DIL24 (рисунок 12):

В качестве программной поддержки можно использовать пакет Unico GUI, доступный для операционных систем Windows, Mac и Linux (Debian). Unico GUI – это графический интерфейс пользователя, взаимодействующий с платой STEVAL-MKI109V3 и позволяющий быстро и легко настроить датчики, а также полностью настроить все регистры и дополнительные функции (такие как ядро машинного обучения, конечный автомат, шагомер и т.д.). Unico GUI визуализирует выходные данные датчиков как в графическом, так и в числовом формате и позволяет пользователю сохранять и управлять данными, поступающими с датчиков.

Рис. 11. Материнская плата STEVAL-MKI109V3

Рис. 12. Платы-адаптеры DIL24 с датчиками IIS2ICLX, IIS3DHHC, ISM330DLC, ISM330DHCX (слева направо)

Другой вариант работы с MEMS-датчиками – это комбинация микроконтроллерной платы STM32 Nucleo с платой расширения для MEMS-датчиков (рисунок 13). В этом случае для аппаратной конфигурации можно использовать программный пакет X-CUBE-MEMS1, который содержит все библиотеки анализа движения и управления датчиками, а также множество примеров реализованных программ. Для визуализации данных предлагается многофункциональное приложение Unicleo GUI, доступное только для операционных систем Windows. Основная цель Unicleo GUI – продемонстрировать функциональность датчиков и алгоритмов ST.

Рис. 13. Микроконтроллерная плата NUCLEO-F401RE (слева) и плата расширения X-NUCLEO-IKS01A2 (справа)

Для IoT-применений компания выпустила специальную отладочную плату STEVAL-STWINKT1 с установленными Bluetouth-модулем и различными MEMS-датчиками, в числе которых ISM330DHCX, IIS3DWB, IIS2DH.

Библиотеки для измерения углов наклона MotionTL, MotionTL2, MotionDI

Библиотеки MotionTL, MotionTL2 и MotionDL, входящие в состав программного пакета X-CUBE-MEMS1, предназначены для анализа данных с инклинометров и предоставляют информацию об углах наклона в режиме реального времени через графический интерфейс Unicleo, а также позволяют выполнять калибровку датчиков. Эти библиотеки разработаны на основе библиотек STM32Cube и могут быть использованы для ARM-микроконтроллеров STM32 семейств Cortex-M3, Cortex-M4, Cortex-M7 и Cortex-M0+.

Библиотека MotionTL используется для трехосевых акселерометров и имеет два режима предоставления данных:

Для мониторинга данных в реальном времени требуется подключение через USB-кабель. Это позволяет пользователю отображать в реальном времени рассчитанные углы наклона, данные акселерометра, отметки времени и другие данные датчиков с помощью графического интерфейса пользователя Unicleo. При необходимости библиотека также может выполнять 6-позиционную калибровку акселерометра. Параметры калибровки (смещение и усиление для всех трех осей) отображаются в графическом интерфейсе пользователя Unicleo и сохраняются во flash-памяти микроконтроллера. Сохраненные калибровочные коэффициенты автоматически загружаются и используются при следующем включении платы.

Рис. 14. Окно расчета тангажа (Pitch), крена (Roll) и наклона относительно вектора гравитации (Gravity Inclination) с помощью библиотеки MotionTL в графическом интерфейсе Unicleo

Рис. 15. Окно расчета углов наклона theta, psi и phi с помощью библиотеки MotionTL в графическом интерфейсе Unicleo

MotionTL2 реализует алгоритм вычисления наклона для оценки ориентации одной или двух осей в пространстве. Библиотека имеет настройку снижения воздействия вибрации, в ней имеются два режима вычисления:

Рис. 16. Одноплоскостной режим измерения с помощью библиотеки MotionTL2 в графическом интерфейсе Unicleo

Рис. 17. Двухплоскостной режим измерения с помощью библиотеки MotionTL2 в графическом интерфейсе Unicleo

Библиотека MotionDI (рисунок 18) использует данные от акселерометра и гироскопа и выполняет вычисления вектора вращения, кватернионов, углов Эйлера и линейного ускорения. Кроме калибровки акселерометра, библиотека предоставляет возможность калибровки гироскопа.

В библиотеке MotionDI применяется цифровой фильтр, основанный на теории фильтра Калмана, для объединения данных с нескольких датчиков и компенсации ограничений каждого из них. Например, поскольку дрейф данных гироскопа может повлиять на оценку ориентации, акселерометр можно использовать для получения информации об абсолютном угле наклона.

Рис. 18. Окно расчета тангажа и крена с помощью библиотеки MotionDI в графическом интерфейсе Unicleo

Рис. 19. Окно расчета вектора ориентации с помощью библиотеки MotionDI в графическом интерфейсе Unicleo

В таблице 4 приведены сводные параметры трех библиотек. Стоит отметить, что компания ST также разработала ряд других программных библиотек, входящих в состав пакета X-CUBE-MEMS1 и упрощающих разработку программного кода обработки данных с MEMS-датчиков: MotionAC для калибровки акселерометров, MotionAR для обнаружения активности, MotionID для определения интенсивности движения и другие.

Таблица 4. Сводные характеристики библиотек

Заключение

В статье рассмотрены MEMS-акселерометры и инклинометры компании ST и их основные характеристики. Компания предлагает различные варианты программных и аппаратных средств, которые позволяют оценить возможности датчиков и сократить затраты на их интеграцию в готовую продукцию. Кроме этого, на все рассмотренные датчики действует программа 10-летней гарантии выпуска.

Источник