注解目录
1、倾斜传感器的那些基础干货
1.1 典型应用场景
（危楼、边坡、古建筑都是对倾斜敏感的。）
1.2 倾斜传感器的原理
1.2.1 滚珠式倾斜开关
1.2.2 加速度式倾斜传感器
1)直接输出倾角
2)加速度计算倾角
3)倾角精度的提高
（如果没看懂，振南教你个好办法：再看一遍。）
2、倾斜传感器温漂校准的基础知识
2.1 温漂产生的根源
（万物皆受温度影响。振南给你讲讲“调皮的尺子”。）
2.2 温漂的真实例子
（某项目的奇怪现象，一到中午数据就乱跳。亮一下壮观而精密的自动化校准装置。）
3、静态温控的实现与温补装置的迭代
3.1 制冷原理
（振南告诉你如何对传感器温漂校准。温度控制不难，但是不允许有振动，你作得到吗？）
3.2 静态温度控制
3.2.1 TEC 制冷
3.2.2 散热方案
3.2.3 倾角温补校准装置设计方案
3.2.4 多级 TEC 制冷
3.2.5 物理制冷
3.2.6 半导体制热
3.2.7 温控策略
3.2.8 多路温度的同步控制
（如何安静的制冷？TEC 及阵列、水冷、干冰、铝注冷技术、PTC、保温材料、比热容、热阻，还有温控算法，这些你应该了解一下。）
4、倾角校准与数据拟合
4.1 倾角校准装置的构成
4.2 倾角温补校准与数据拟合
4.3 分段校准的质疑
（多阶拟合算法，还有开源的 Polyfit 方案。来看看最终效果：温度乱舞，传感器却无波动。）
5、其它细节
5.1 真值的读取
5.2 规避震动干扰
5.3 克服地面不平问题
5.4 减震设计
（万事的成败在于细节。）
静态温控与温补装置
倾斜传感器温补校准的基本过程:将温度划分为若干区段,比如将-20°C~十60°C每10°C划分一个区段:-20~-11°C、-10~-1C,0~9°C......通过温度控制依次将传感器温度稳到相应区段,然后将传感器从开始角以一定的步进角速度转至结束角，过程中记录下每一个角度以及传感器的示数,形成对应关系。依此对应关系,构建各个温度区段下倾角采集值与实际真值之间的对应表,并将此对应表固化于传感器硬件之中。这就基本实现了温补校准,如图 16.10 所示。
图 16.10倾斜传感器温漂校准装置示意图
是不是已经感觉到这套东西有一些难度了。抛开步进转动产生各个角度的具体实现方法不提，我们先来说一下温度控制。
有人会说:“温度控制有必要自己作吗?你把它整体放到高低温箱里不就行了?不要重复造轮子。”从事电子行业的工程师应该对高低保温箱都不陌生，我们经常用它做一些高低温的老化实验，确实很方便。但是我们应该注意到一般的高低温箱在工作的时候自身的震动是大的在这样的环境中要校准高精度倾角是不可能的。所以振南强调“静态温控“。
3.1 制冷原理
“高低温箱为什么震动那么大?静态温控很难实现吗?”我们先来了解一下高低温箱的制冷原理，其实这也是我们家里冰箱空调的工作原理,如图 16.11 所示。
图 16.11基于压缩机的制冷设备的工作原理
从图 16.11 中我们可以看到,压缩机是一个大家伙,它工作时动静不小，“咣咣咣”地对制冷剂做功。正是因为它这样的工作性质,我们一般把它放在室外,称为“外机”。
3.2 静态温度控制
其实有专门的静态高低温箱,但是价格昂贵而且有效制冷空间比较小,不适宜做批量传感器校准，如图 16.12 所示。
也许真得要靠我们自己来实现静态制冷,为我们的传感器量身定做校准系统,这并不是重新造轮子,而是一件非常有挑战和创造性的工作。那如何在不产生震动的前提下,又可以实现制冷呢?
1.TEC 制冷
我们来了解 TEC,即:半导体制冷器(Thermo Electric Cooler)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应,是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。高浓度的N 型和 P型的化主要用作 TEC 的半导体材料,确化元件采用电串联,并且是并行发热。TEC 包括一些 P 型和 N型对(组),它们通过电极连在一起,并且夹在两个陶瓷电极之间:当有电流从 TEC 流过时,电流产生的热量会从 TEC 的一侧传到另一侧,在 TEC 上产生“热”侧和“冷”侧,这就是 TEC 的加热与制冷原理。
图 16.13 为 TEC 半导体制冷片。
图 16.12 静态高低温箱
图 16.13TEC 半导体制冷片
TEC 的主要特点:冷热面温差是一定的(温差是 TEC 的重要参数指标)。热面如果能有较好的散热(把热面降温),那么冷面就能更冷。所以，TEC 高效制冷的根本在于热面的散热。
2.散热方案
要达到比较好的散热效果,有两种途径;增加散热面积;增加热量传递效率。
前者我们可以使用散热片,如图 16.14 所示。
要注意的是 TEC 热面与散热片的贴合度,可以使用导热硅胶,如图 16.15 所示。
后者可以使用水冷。水冷本质上还是散热片,不同在于上面所说的散热片是靠空气热交换。而水冷散热片则是靠流水或防冻液将热量带走.图 16.16 是水冷系统的主要组成和原理。
图 16.14使用散热片增加散热面积
图 16.15导热硅胶可提高TEC 热面与散热片的贴合度
图 16.16 水冷系统的主要组成和原理
水冷可以有效提高热交换效率。实际应用中,TEC十水冷也是绝配,很多人用它给 CPU散热,网上也有很多此类的套件,有兴趣可以淘来玩一下,更有甚者有人用它来做空调扇,如图 16.17 所示。
3.倾角温补校准装置设计方案
那我们就把 TEC十水冷应用到倾角校准之中，如图 16.18 所示。
使用图 16.18 中的方案,实际我发现保温罩里的温度似乎并没有降低多少,最低也就到+10°C左右(室温 25C)。但是我去摸 TEC 的冷面,却发现已经冰冷了,起码有-10C。
这个问题让人陷人沉思:是哪的问题?
后来我发现了问题:不能用大保温罩子,里面的空气太多,而这些都是热负载。想要将空气整体拉到低温,这是比较困难的。
我做了一些改进,如图 16.19 所示。
效果有所改善,每个独立小保温罩中的温度最低可以达到+5C左右,但仍然不够理想我们的目标是低至一20C。
图 16.17 爱好者制作的空调扇和 CPU 散热器
图 16.18 使用 TEC十水冷作为制冷方案的倾角温补校准装置示意图(整体保温罩)
图 16.19 使用 TEC十水冷作为制冷方案的倾角温补校准装置示意图(分立保温罩)
我左思右想,考虑是哪的问题?也许是导热系数在作怪?空气阻隔了 TEC 冷面与倾角传感器之间的热量传递。(空气的导热系数是 0.026W/(m·K)。)
考虑到这一点后,我又对方案进行了改进,如图 16.20 所示。
效果很明显,每个独立小保温罩中的温度最低可以达到-5C左右,离我们的目标还有一段距离，
图 16.20使用 TEC+水冷作为制冷方案的倾角温补校准装置示意图(冷面增加导热硅脂
4.多级 TEC 制冷
经过进一步的研究,我又发现了 TEC 的高阶用法——叠罗汉(多层 TEC),如图 16.21所示。
图 16.21多级 TEC 半导体制冷模组
原理似乎也很简单:用一片更大的 TEC 来为一片小 TEC 的热面散热,依此堆叠。最终达到的效果是最小冷面与最大热面之间的温差能达到 110C。如果大热面的散热处理好，冷面的温度可以达到一40°C。
我把倾角温补校准装置的 TEC 换成 4 级 TEC.效果很明显,每个独立小保温中的温度
最低可以达到一20°C左右,达到了目标。到这里,倾角温补校准装置已经有了一个阶段性的成果,但是它真的实用吗?生产总监提出了质疑:“你这套装置是不是略显复杂了?通常我们的硬件产品都是有交付乐力的。这对生产效率有较高的要求。生产设备都要设计得尽量易用。不要校准一分钟。准备3 小时,当然这有点夸张,但是我觉得你这套装置操作起来还是太麻烦了,比如那套水冷,还有保温罩应该都不好拆装。而且有些步骤很难做到一致性，比如导热硅脂的涂抹。基于非常精细的准备工作,才能完成的生产任务，一定会出各种问题。”确实,但是有什么更简单直接的静态制冷的方法呢?
5.物理制冷
围绕“静态制冷。还要简单”这一问题。我想到了干冰。
干冰是固态的二氧化碳。把二氧化碳液化成无色的液体,再在低压下迅速凝固而得到,熔点能达到-57°C。现在干冰已经广泛应用到了许多领域。也许,我们可以把干冰应用到倾斜围绕“静态制冷，还要简单”这一问题,我想到了干冰干冰是固态的二氧化碳。把二氧化碳液化成无色的液体,再在低压下迅速凝固而得到,熔点能达到-57“C。现在干冰已经广泛应用到了许多领域。也许,我们可以把干冰应用到倾斜传感器温补校准中。
我一开始能想到的就是把柱状干冰直接放到小保温罩里,如图 16.22 所示。
图16.22 使用柱状干冰进行制冷的原始方案
效果还可以,温度最低到达-15°C,但是似乎干冰还有巨大的潜力,不要忘了它的熔点可是一57°C啊!也许还是空气隔绝了干冰与传感器之间的热量传递。
我设计了这样的结构,如图 16.23 所示。
图16.23 为了提高热量传递效率而设计的铝制结构
铝的导热系数是 230,是空气的 10 000 倍。它形同一个铝锅,只是底下灶台填人的不是柴火,而是干冰,我称之为“冷灶”。铝作为良好的导热介质,基本可以实现干冰直接对传感器降温。这种方式,温度最低可达到一40°C!
基于这样的结构设计,倾角校准装置有了如下改进,如图 16.24 所示。
这种方式去掉了水冷等一系列部件,也许是最简洁的方案。但是干冰并不易控制,我们要让它慢慢地维持制冷过程,而不是一下子把温度拉到很低,但是不能持久。图 16.25 是我实际采到的和期望的温度曲线。
我发现将干冰放入铝制结构,很快它就会消失,同时伴随的是保温罩内的温度会降到最低点，随后就是很快的升温过程。跨越低温区每个温度段的时间太短,不足以进行倾角校准。影响温度上升速度的因素有哪些?我能想到的是保温罩的材料和结构。它是阻隔内部与外部环境之间进行热量传递的屏障。
图16.24 基于铝制结构的倾角校准装置的改进
图16.25 实际的与期望的温度曲线
我所使用的保温材料是 XPS,即压缩聚苯板,相关的一些选型如表 16.1 所列。
XPS 是比较理想的材料,而且我还专门设计了配套的结构,以保证良好的保温效果,如图 16.26 所示。
在保温方面应该没有太大的优化空间了。而且,想要完全阻隔内部与外部的热量交换是
图16.26 专门设计的保温结构
不可能的，也就是没有绝对的保温。
在干冰消耗殆尽之后,与外界进行热量交换的主要是铝制结构。此时我想到了材料的比热容。单位重量下,不同材料比热容大的,在它升高 C时,所吸收的热量更多。
这样的话,我把干冰改为铝块,把塞入铝块的铝制结构一起冷冻到一50C,然后再放到保温结构中，它的升温过程是不是会变慢? 如图 16.27 所示。
果然,升温变得缓慢了很多,如图 16.28 所示。
要把塞入铝块的“冷灶”整体冻到-50C,我使用的方法是将其埋到干冰堆中,静置半个小时。每次做实验之前,我都需要现订干冰,可以说干冰是耗材。这也许对于批量化、大规模校准是一个瓶颈。其实使用铝块之后,冷冻已经成为一个预置的步骤,完全可以脱离干冰,而使用超低温箱，如图 16.29 所示。
