CN102032921B

CN102032921B - 一种测斜仪的自动校准方法

Info

Publication number: CN102032921B
Application number: CN2010105407069A
Authority: CN
Inventors: 杨小伟; 谈冬兴; 朱岳辉; 毛志萍; 蒋琦; 徐贵力
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2030-11-12
Also published as: CN102032921A

Abstract

本发明公开了一种测斜仪自动校准方法，其步骤为：首先通过工控机软件读入设定的一系列数值，并计算得到控制步进电机的脉冲数;其次,工控机通过数据采集卡输出控制脉冲到步进电机控制器，从而控制步进电机转过相应的角度，并通过机械传动机构带动检测平台和圆光栅传感器转动；然后，圆光栅传感器将检测到的转动角度以脉冲的形式通过数据采集卡发送到工控机，并与设定的角度进行比较，达到设定值时，工控机发送停止命令，电机停止转动，此时由用户输入测斜仪的读数;最后,由软件分析得到标定方程与误差。本发明实现了测程范围无限制、多角度连续的高精度校准，其中校准精度可达到3″，特别适用于测斜仪生产企业、使用单位及计量技术机构等单位中测斜仪的校准。

Description

一种测斜仪的自动校准方法

技术领域

本发明涉及工控机测控领域，具体用于测斜仪校准中角度的自动生成和数据的自动分析处理。

背景技术

测斜仪主要应用于道路、桥梁、大坝及岩土工程安全检测，它适用于煤矿工程、地质钻孔、防渗灌浆孔、桩抽芯孔、岩土工程的测量钻孔和非磁性矿地区以及无铁套管的钻孔斜度测量，还可以测量深基坑、边坡、地基、水平位移以及剖面沉降等。

该仪器采用倾角传感器作为敏感元件，它是一个力平衡式伺服系统，当传感器探头相对于地球重心方向产生倾角时，由于重力作用，传感器中敏感元件相对于铅锤方向摆动一个角度，通过高灵敏的微电子换能器将此角度转换成信号，经过分析处理显示被测对象的倾斜角度，其检测精度对工程质量及工程安全影响很大。

目前，国内无该仪器的国家检定规程及成熟的校准设备。大多数厂家都采用游标角度尺进行检测，这种方法检测精度低，定位困难，很难保证测量的准确性和可靠性。市场上急需对测斜仪进行精确校准和定量分析的仪器。

在国内所查公开文献范围内，国内有将光栅原理、步进电机驱动及工控机控制技术在校准、测量装置中应用的研究报道，同时已见测斜仪检定装置的产品信息，但未与本项目研究内容完全相同的，用圆光栅作为标准、步进电机驱动、用工控机进行控制、读数及数据处理，完全采用闭环系统实现对测斜仪全自动、多角度的校准和检测装置。

发明内容

本发明目的在于提供一种倾斜仪自动校准系统，提高倾斜仪的校准精度，简化校准过程。

本发明是采取以下的技术方案来实现的：

一种测斜仪的自动校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将工控机与数据采集卡相连接，数据采集卡与用于测量转动角度的圆光栅传感器、用于带动机械传动机构的电机的控制器相连接，电机与机械传动机构相连接，机械传动机构与用于装夹测斜仪的检测平台相连接，将圆光栅传感器安装于检测平台的轴上；

2)通过工控机内的程序读入用户设定的一系列数值，并由此计算得到控制电机的脉冲数，所述用户设定的数值为根据测斜仪实测的角度数据而设定；

3)工控机通过数据采集卡输出控制脉冲到电机控制器，从而控制电机转过相应的角度，并通过机械传动机构带动检测平台和圆光栅传感器转动，圆光栅传感器将检测到的转动角度以脉冲的形式通过数据采集卡发送到工控机保存，即实时保存检测平台的当前位置，并与步骤2)中设定的角度数据进行比较，达到设定值时，工控机发送停止命令，电机停止转动，此时由用户输入测斜仪的读数，然后开始下一个点的测量；

4)重复步骤3)，直到所有的点都检测完毕，最后由程序分析得到标定方程与误差，将校准结果相关信息输出到Excel表格中。

前述的测斜仪的自动校准方法，其特征在于：所述校准结果相关信息包括校准点角度、测斜仪读数、实测角度、标定方程和误差信息。

前述的测斜仪的自动校准方法，其特征在于：在步骤1)之前包括调零的步骤，具体方法为：由工控机控制电机向左转和向右转，同时利用水平仪来检测检测平台是否水平，当达到零位时，点击确定保存该零位信息。

前述的测斜仪的自动校准方法，其特征在于：在步骤1)之前包括回零的步骤，具体方法为：工控机根据圆光栅传感器零位光栅的位置和检测平台当前位置决定回零方向，然后先回到零位光栅处，再根据保存的零位信息回到真正的零位。用来消除长期工作的积累误差。

前述的测斜仪的自动校准方法，其特征在于：在步骤3)中，所述实时保存检测平台的当前位置，是由工控机上的文本文件保存的，在测量过程中实时更新保存，系统上电启动时可以得知上次运行后检测平台的位置。

前述的测斜仪的自动校准方法，其特征在于：在所述步骤3)中，所述标定方程为利用最小二乘法拟合所得到的一个一元三次方程：

θ＝a+b·F+c·F²+d·F³

其中，θ为检测平台转动角度，即测斜仪转过的角度，F为测斜仪读数，a、b、c、d为拟合系数；

所述测斜仪的工作方程为：

S＝L·Sin(a+b·F+c·F²+d·F³)

其中L为测斜仪的长度，S为测斜仪的垂直投影的长度。

本发明所达到的有益效果：本发明的测斜仪自动校准装置及测斜仪自动校准方法，可提高倾斜仪的校准精度，简化校准过程。

附图说明

图1为本发明的硬件连接图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的工控机的程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明专利进一步说明。

参照图1及图2所示的测斜仪自动校准装置，包括1.工控机及软件、2.数据采集卡、3.步进电机控制器、4.步进电机、5.高精度的机械传动机构、6.圆光栅、7.圆光栅读数头、8.检测平台，工控机1与数据采集卡2相连，数据采集卡2与圆光栅传感器、电机控制器3相连，步进电机4与机械传动机构5相连，机械传动机构5与检测平台8相连，圆光栅传感器安装于检测平台8的轴上。

首先，通过工控机软件读入设定的一系列数值，并计算得到控制步进电机的脉冲数；其次，工控机通过数据采集卡输出控制脉冲到步进电机控制器，从而控制步进电机转过相应的角度，并通过机械传动机构带动检测平台和圆光栅传感器转动；然后，圆光栅读数头将检测到的转动角度以脉冲的形式通过数据采集卡发送到工控机，并与设定的角度进行比较，达到设定值时，工控机发送停止命令，步进电机停止转动，此时由用户输入测斜仪的读数；最后，由软件分析得到标定方程与误差。程序流程图见图3。

具体来说，包括以下步骤：

(1)检测校准过程，如图3中A)所示：

第一步，程序运行后，等待用户的输入，并检验输入的有效性，然后根据用户的输入预调整检测平台的位置，为下一步的检测校准做准备。

第二步，根据用户输入，计算下一个待校准点所对应圆光栅的脉冲数，然后启动电机，同时读取圆光栅传感器的脉冲数，得到转动角度，并判断是否到达预定位置，当检测平台到达预定位置时，电机停止转动，用户将测斜仪的读数输入工控机。

第三步，重复第二步，直到所有的点都校准完毕，将校准结果以Excel表格的形式输出，包括校准点角度、测斜仪读数、实测角度、标定方程和误差等信息。

所述第一步中输入的设定数据是根据校准测斜仪的要求而设定的角度值，比如转到5度，10度，12度，90度等，测斜仪实测的即这几个角度，然后计算偏差，从而用本发明的平台校准测斜仪误差。

(2)调整零位过程，如图3中B)所示：

第一步，用户点击零位调整按钮后，系统等待键盘消息，当有“←”键和“→”键按下时，电机分别向左和向右转，其它键则停止。

第二步，当达到较为理想的零位(用水平仪检测)时，点确定键返回到主界面，同时保存该零位位置信息到文件。

(3)回零过程，如图3中C)所示：

用户点击回零按钮后，系统根据记录的零位信息和检测平台的位置决定转动方向，自动回到前述记录的零位。

综上所述，针对测斜仪的校准问题，本发明用圆光栅作为标准、步进电机驱动、用工控机进行控制、读数及数据处理，完全采用闭环系统实现对测斜仪全自动、多角度、高精度的校准和检测装置。实验结果表明，该系统具有测程范围无限制、校准精度高(全程精度在5″以内)等优点，可以实现多角度的连续测量，简化了测斜仪校准的过程，提高了校准精度。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种测斜仪的自动校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将工控机与数据采集卡相连接，数据采集卡与用于测量转动角度的圆光栅传感器、用于带动机械传动机构的电机控制器相连接，电机与机械传动机构相连接，机械传动机构与用于装夹测斜仪的检测平台相连接，将圆光栅传感器安装于检测平台的轴上；

2)通过工控机内的程序读入用户设定的一系列数值，并由此计算得到控制电机的脉冲数，所述用户设定的一系列数值为根据测斜仪实测的角度数据而设定；

3)工控机通过数据采集卡输出控制脉冲到电机控制器，从而控制电机转过相应的角度，并通过机械传动机构带动检测平台和圆光栅传感器转动，圆光栅传感器将检测到的转动角度以脉冲的形式通过数据采集卡发送到工控机保存，即实时保存检测平台的当前位置，并与步骤2)中设定的一系列数值进行比较，达到设定值时，工控机发送停止命令，电机停止转动，此时由用户输入测斜仪的读数，然后开始下一个点的测量；

4)重复步骤3)，直到所有的点都检测完毕，最后由程序分析得到标定方程与误差，将所有点的校准结果相关信息输出到Excel表格中，所述标定方程为利用最小二乘法拟合所得到的一个一元三次方程：

θ＝a+b·F+c·F²+d·F³

所述测斜仪的工作方程为：

S＝L·Sin(a+b·F+c·F²+d·F³)

其中L为测斜仪的长度，S为测斜仪的垂直投影的长度。

2.根据权利要求1所述的测斜仪的自动校准方法，其特征在于：所述校准结果相关信息包括校准点角度、测斜仪读数、实测角度、标定方程和误差信息。

3.根据权利要求1所述的测斜仪的自动校准方法，其特征在于：在步骤1)之前包括调零的步骤，具体方法为：由工控机控制电机向左转和向右转，同时利用水平仪来检测检测平台是否水平，当达到零位时，点击确定保存该零位信息。

4.根据权利要求1所述的测斜仪的自动校准方法，其特征在于：在步骤1)之前包括回零的步骤，具体方法为：工控机根据圆光栅传感器零位光栅的位置和检测平台当前位置决定回零方向，然后先回到零位光栅处，再根据保存的零位信息回到真正的零位。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的测斜仪的自动校准方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的实时保存检测平台的当前位置是由工控机上的文本文件保存的，在测量过程中实时更新保存，系统上电启动时可以得知上次运行后检测平台的位置。