一种倾角测量敏感元件集成单元及其工作方法与流程

本发明属于倾角测量技术领域，涉及一种倾角测量敏感元件集成单元的设计及其工作方法。

背景技术：

随着交通运输、航空航天等产业的发展，重型机械设备在工业生产中的地位日益提高，挤压机的规格也趋于大型化。大型挤压机由于其本体结构和工作环境的特殊性，长时间运行后会造成导轨与支撑垫之间摩擦磨损严重、挤压筒与模具及挤压轴中心不对中，再加上工作过程中剧烈振动、冲击的影响，产生沉降，造成挤压中心的偏移。挤压机的沉降状态不仅直接影响生产出来的挤压材的质量，而且直接关系到设备的使用寿命。因此在加工过程中必须实时监测挤压机的沉降状态，才能保证产品的加工质量，同时也能有效保证设备运行的安全与稳定。

近几年在工业先进的国家先后出现了以先进状态监测仪器为基础的智能化设备，以机械设备实际运行状态为依据的状态监测、调整的设备智能化控制系统的生产线,并已经带来了巨大的社会和经济效益。

基于上述问题，需设计一种装置及其工作方法，以解决挤压机运行过程中沉降状况不能及时测量修复的难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种倾角测量敏感元件集成单元及其工作方法，该集成单元及其工作方法能够有效地解决挤压机运行过程中沉降状况不能及时测量修复的难题。

为达到上述目的，本发明所述的倾角测量敏感元件集成单元包括封装外壳、基座、mems加速度计、通信数据线及二次电源模块；

封装外壳固定于基座上，mems加速度计固定于封装外壳内，封装外壳上开设有通孔，基座上开设有若干安装孔，在使用时，基座通过各安装孔固定于待测量设备上。

mems加速度计的内部为挠性梁-质量块结构，检测电极位于质量块的上下两侧。

通过二次电源模块进行供电，阻止由外部电源供电带来的干扰，提高系统的稳定性。

姿态解算芯片与外界上位机相连接。

姿态解算芯片通过通信模块及数据线与外界上位机相连接。

安装孔的数目为四个，其中，四个安装孔分别位于基座四个角的位置处。

在工作时，倾角测量敏感元件集成单元由于沉降导致倾斜，mems加速度计中的质量块由于沿测量轴方向加速度的改变产生位移，导致质量块上下两极板间的电容值一个增大，一个减小，通过内部电路检测出电容差，继而计算出相应的重力加速度值，将mems加速度计测量得到的重力加速度与当地的重力加速度进行对比，确定测量得到的重力加速度与当地的重力加速度之间的关系，以确定敏感轴的夹角，再将测量得到的重力加速度映射至待测量设备坐标系中的坐标轴上，通过待测量设备坐标系统中重力加速度的分量与当地的重力加速度进行比较，确定待测量设备的滚转角及俯仰角的变化。

本发明所述倾角测量敏感元件集成单元的工作方法包括以下步骤：

mems加速度计测量待测设备的倾角信号，然后将待测设备的倾角信号通过通信数据线发送给姿态解算芯片中，姿态解算芯片对待测设备的倾角信号进行放大及姿态解算，然后将解算的结果发送给外界上位机中。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的倾角测量敏感元件集成单元及其工作方法在具体操作时，mems加速度计固定于挤压机上，通过mems加速度计及姿态解算芯片获取挤压机的加速度信息及方向，以获知挤压机运行过程中的沉降状况，并及时反馈给外部的上位机，以避免挤压机运行过程中沉降状况不能及时测量修复的难题，减小沉降带来的原料与时间损失，能够在沉降变得显著之前就发现并排查，提高生产安全性，同时需要说明的是，本发明中mems加速度计通过二次电源模块进行供电，阻止由外部电源供电带来的干扰，提高系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为挤压机的示意图；

图3为mems加速度计7安装方法的剖面示意图；

图4为mems加速度计7内部的结构示意图。

其中，1为通孔、2为封装外壳、3为基座、4为安装孔、5为挤压机设备模型、6为挤压机底座、7为mems加速度计、8为底座、9为挠性梁-质量块结构、10为电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的倾角测量敏感元件集成单元包括封装外壳2、基座3、mems加速度计7、通信数据线及二次电源模块；封装外壳2固定于基座3上，mems加速度计7固定于封装外壳2内，封装外壳2上开设有通孔1，基座3上开设有若干安装孔4，通信数据线的一端与mems加速度计7相连接，通信数据线的另一端穿过通孔1与姿态解算芯片相连接，二次电源模块与mems加速度计7的电源接口相连接，在使用时，基座3通过各安装孔4固定于待测量设备上。

姿态解算芯片与外界上位机相连接；姿态解算芯片通过通信模块及数据线与外界上位机相连接；安装孔4的数目为四个，其中，四个安装孔4分别位于基座3四个角的位置处。

参考图2，挤压机设备模型5安装于挤压机底座6上，基座3通过安装孔4固定于挤压机底座6上。

参考图3，mems加速度计7安装于封装外壳2的侧壁上。

参考图4，mems加速度计内部结构包含底座8、挠性梁-质量块结构9及电极10，检测电极10位于质量块的上下两侧。

在工作时，倾角测量敏感元件集成单元由于沉降导致倾斜，mems加速度计7中的质量块由于沿测量轴方向加速度的改变而产生位移，导致质量块上下两极板间的电容值一个增大，一个减小，通过内部电路检测出电容差，继而计算出相应的重力加速度值，将mems加速度计7测量得到的重力加速度与当地的重力加速度进行对比，确定测量得到的重力加速度与当地的重力加速度之间的关系，以确定敏感轴的夹角，再将测量得到的重力加速度映射至待测量设备坐标系中的坐标轴上，通过待测量设备坐标系统中重力加速度的分量与当地的重力加速度进行比较，确定待测量设备的滚转角及俯仰角的变化。

本发明所述倾角测量敏感元件集成单元的工作方法包括以下步骤：

mems加速度计7测量待测设备的倾角信号，然后将待测设备的倾角信号通过通信数据线发送给姿态解算芯片中，姿态解算芯片对待测设备的倾角信号进行放大及姿态解算，然后将解算的结果发送给外界上位机中。

本发明对挤压机的沉降状态监测的反应时间具有很高的优化效果，相比现有遇到问题后再停工检测的模式，本发明不仅减少了沉降带来的原料与时间损失，还能够在沉降变得显著之前就发现并排查，提高生产安全性。

技术特征：

1.一种倾角测量敏感元件集成单元，其特征在于，包括封装外壳(2)、基座(3)、mems加速度计(7)、通信数据线及二次电源模块；

封装外壳(2)固定于基座(3)上，mems加速度计(7)固定于封装外壳(2)内，封装外壳(2)上开设有通孔(1)，基座(3)上开设有若干安装孔(4)，在使用时，基座(3)通过各安装孔(4)固定于待测量设备上。

2.根据权利要求1所述的倾角测量敏感元件集成单元，其特征在于，姿态解算芯片与外界上位机相连接。

3.根据权利要求1所述的倾角测量敏感元件集成单元，其特征在于，姿态解算芯片通过通信模块及数据线与外界上位机相连接。

4.根据权利要求1所述的倾角测量敏感元件集成单元，其特征在于，安装孔(4)的数目为四个，其中，四个安装孔(4)分别位于基座(3)四个角的位置处。

5.根据权利要求1所述的倾角测量敏感元件集成单元，其特征在于，二次电源模块内置有tps62150a芯片。

6.根据权利要求1所述的倾角测量敏感元件集成单元，其特征在于，mems加速度计(4)内部包括挠性梁-质量块结构9及电极10，检测电极10位于质量块的上下两侧。

7.根据权利要求1所述的倾角测量敏感元件集成单元，其特征在于，在工作时，整个倾角测量敏感元件集成单元由于沉降导致倾斜，mems加速度计(7)中的质量块由于沿测量轴方向加速度的改变而产生位移，导致质量块上下两极板间的电容值一个增大，一个减小，通过内部电路检测出电容差，继而计算出相应的重力加速度值，将mems加速度计(7)测量得到的重力加速度与当地的重力加速度进行对比，确定测量得到的重力加速度与当地的重力加速度之间的关系，以确定敏感轴的夹角，再将测量得到的重力加速度映射至待测量设备坐标系中的坐标轴上，通过待测量设备坐标系统中重力加速度的分量与当地的重力加速度进行比较，确定待测量设备的滚转角及俯仰角的变化。

8.一种权利要求1所述倾角测量敏感元件集成单元的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

mems加速度计(7)测量待测设备的倾角信号，然后将待测设备的倾角信号通过通信数据线发送给姿态解算芯片中，姿态解算芯片对待测设备的倾角信号进行放大及姿态解算，然后将解算的结果发送给外界上位机中。

技术总结
本发明公开了一种倾角测量敏感元件集成单元及其工作方法，包括封装外壳、基座、MEMS加速度计、通信数据线及二次电源模块；封装外壳固定于基座上，MEMS加速度计固定于封装外壳内，封装外壳上开设有通孔，基座上开设有若干安装孔，通信数据线的一端与MEMS加速度计相连接，通信数据线的另一端穿过通孔与姿态解算芯片相连接，二次电源模块与MEMS加速度计的电源接口相连接，在使用时，基座通过各安装孔固定于待测量设备上，该集成单元及其工作方法能够有效地解决挤压机运行过程中沉降状况不能及时测量修复的难题。

技术研发人员：田边;王潇奕;韩枫;王琛英;林启敬;蒋庄德
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2020.06.05
技术公布日：2020.09.25