摘要：介绍了基于MAD2020E型加速度计的0°～360°倾角传感器的基本原理，并结合实际加速度传感的特性，采用双轴无温度补偿方法进行了硬件和软件的设计。实验验证该倾角加速度传感器实现了外形小巧、精度高、智能化。
关键词：加速度传感器；倾角测量；无温度补偿；MAD2020E

1 引言
目前国内现场使用的倾角传感器大多应用于系统水平测量。倾角传感器从工作原理上可分为“同体摆”、“液体摆”、“气体摆”、“加速度”4种方式。多数为偏重框架结构式的测角传感器，其工艺精度低、可靠性差，而新的石英挠性加速度计虽测量精度高，但抗震性能差，易损坏。MEMSIC加速度计MAD2020E不仅外形小巧、精度高、而且耐冲击较大，特别适合矿井、机车等测量倾角条件较恶劣的场合。因此，这里提出一种基于MAD2020E加速度计0°～360°倾角传感器设计方案。

2 测倾角工作原理
2．1 加速度计测倾角工作原理
加速度计通过感知重力加速度g在其测量轴上分量的大小确定物体的倾斜角度。当MEMSIC加速度计水平放置时(两个灵敏轴与水平面平行)，它对位置或倾角变化最为敏感。而当垂直放置时(两个灵敏轴与水平面垂直)，对于位置或倾角变化的敏感度将下降。图1与图2描述了MEMSIC加速度计从+90°～O°倾斜过程中X轴和y轴输出值的相应变化。请注意当任意一轴(每倾斜1°)的输出变化较小时，则另一轴的输出变化较大。利用这两轴的变化特性相互弥补的原理设计精度较高的倾角传感器。

为测倾斜角度，需要进行计算，因为加速度计的输出仅仅作用在感应轴上的重力加速度值。双轴加速度计水平放置时的输出和重力之间的关系：

式中，Ax和Ay代表加速度计的输出，g是重力加速度，α和β是倾斜角度。为了计算倾斜角度，由反正弦方程：

2．2 MAD2020E型加速度计简介
MAD2020E型加速度计是基于单片COMS 工艺的一个完整的双轴加速度测量系统，像其他加速度计有重力块一样，MEMSIC器件是以可移动的热对流小气团作为重力块。该器件通过测量由加速度引起的内部温度的变化来测量加速度。MEMSIC传感器中的质量块是气体。MAD2020E型加速度计是通过测量温度变化的原理确定加速度的装置。MAD2020E型加速度计传感器输出信号是2个PWM(占空比)信号，当加速度计传感器输出 PWM信号时，PWM信号的占空比与加速度信号成比例。

3 无温度补偿双轴0°～360°倾角传感器设计
3．1 系统总体设计
在基于水平位置的倾斜角度不超过±60°的应用中，可使用一个双轴加速度传感器来测量两轴上的倾斜。当需要测量大于90°的倾斜角时，加速度计的X和Y轴相结合得到在360°范围内较好的分辨率。这需要一个双轴的加速度计传感器来测量单轴倾斜角。图3给
出一个基于垂直初始位置的加速度倾角计，竖角放置的单轴倾斜测量，±360°良好分辨率。