CN102042823A - 一种倾斜角测量仪器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于测量技术领域，提供了一种倾斜角测量仪器及其测量方法，所述倾斜角测量仪器包括倾角传感器、A/D转换器、微处理器和数字输出接口，其特征在于，所述倾斜角测量仪器还包括支架、旋转圆盘、电机。所述倾角传感器安装在所述旋转圆盘上，所述旋转圆盘固定在所述电机的旋转轴上，所述电机垂直安装在所述支架上，所述支架包括一水平面板和一垂直面板，所述水平面板为测量基准面，所述垂直面板用于固定电机。本发明还提供所述倾斜角测量仪器的测量方法。本发明提供的倾斜角测量仪器使用方便，通过一种装置就能够实现灵敏度校准和零位校准。

Description

一种倾斜角测量仪器及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，更具体的说，本发明涉及一种倾斜角测量仪器及其测量方法。

背景技术

倾角传感器是测量倾斜角的装置，目前许多工程应用中都需要对倾角进行测量，并将这些测量值用于对系统的监测或控制。

公开号为CN1003344A、CN1013063A、CN1320808A和CN1668892A的中国专利申请中分别公开了基于“液体摆”的倾斜角测量装置。其基本原理是，测量装置包括两个测量电极和一个公开电极，电极置于密闭的腔室内，腔室内装有高介电常数液体和气体。当测量装置处在水平面位置时，两个电极有相等的面积浸没在介电液体里，由电极和公开电极构成两个相等的电容器；倾斜测量仪转动一个角度时，二个电极浸没在液体里的面积则不相等，产生的电容差值则代表被测量的倾斜角的大小。

公开号为CN1532523A的中国专利申请公开了一种基于“固体摆”的数显式水平及角度测量仪，其包括外壳和角度测量装置，角度测量装置为电容角度测量传感器，外壳与电容角度测量仪的主栅或副栅固连，外壳内腔中还有一个始终自动回复并保持在重力垂直状态的重力垂直装置，重力垂直装置与电容角度测量仪的副栅或主栅固连并同轴转动；外壳上还设有一个用于决定绝对零位的精密位置开关，重力垂直装置由重锤、支承轴和浮筒构成，浮筒的位置和形状为沿重锤中垂轴轴对称。

上述现有技术都没有涉及怎样对倾斜角测量仪器的灵敏度和零位偏差进行校准，众所周知，由于测量电路、敏感元件等不可避免地存在温度和时间漂移，将给整个仪器引入灵敏度漂移和零位漂移，因此，对灵敏度和零位进行校准是保证测量准确的必要工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种倾斜角测量仪器，旨在解决现有的倾斜角测量仪器不能同时实现灵敏度校准和零位校准，测量不准确的问题。

本发明是这样实现的，一种倾斜角测量仪器，包括倾角传感器、A/D转换器、微处理器和数字输出接口，其特征在于：

所述倾斜角测量仪器还包括支架、旋转圆盘、电机；

所述倾角传感器、A/D转换器、微处理器和数字输出接口、电机之间做正确的电连接；

所述倾角传感器安装在所述旋转圆盘上；

所述旋转圆盘固定在所述电机的旋转轴上，可以绕着所述电机的所述旋转轴旋转任意角度；

所述电机垂直安装在所述支架上，所述支架包括一水平面板和一垂直面板，所述水平面板为测量基准面，所述垂直面板用于固定电机。

本发明的另一目的在于提供所述倾斜角测量仪器的测量方法。所述倾斜角测量仪器的方法包括以下步骤：

所述倾斜角测量仪器上电启动，初始化；

读取初始位置，即第一位置处所述倾角传感器的第一输出电压值；

所述微处理器控制所述电机转动，使所述旋转圆盘垂直旋转一个标准角度，此位置为第二位置；

延时，读取所述第二位置处所述倾角传感器的第二输出电压值；

由所述第二输出电压值和所述第一输出电压值的差值除以所述标准角度，计算出所述倾角传感器的灵敏度；

所述微处理器控制所述电机转动，使所述旋转圆盘再次垂直旋转到相对所述第一位置180°的第三位置；

延时，读取所述第三位置处所述倾角传感器的输出电压值；

根据所述第一位置和所述第三位置所述倾角传感器的输出电压的和，计算出零位偏差电压；

延时，正式测量。

本发明提供的倾斜角测量仪器使用方便，在每次上电时可以自动进行灵敏度校准和零位校准，使测量结果更加准确。

由上述技术方案可知，本发明通过将安装有倾角传感器的旋转圆盘固定在电机的旋转轴上，电机再垂直安装在支架上，采用灵敏度校准和零位校准的方法，具有以下有益效果：

1、使倾斜角测量仪器使用更加方便，上电后即可进行灵敏度校准和零位校准；

2、通过一种装置就可进行两种校准，简化了倾斜角测量仪器的结构；

3、倾斜角测量结果更加准确。

附图说明

图1所示为基于“固体摆”的电容式倾角传感器的结构示意图；

图2所示为本发明实施例提供的倾斜角测量仪器灵敏度校准和零位校准的原理示意图；

图3所示为本发明实施例提供的倾斜角测量仪器的结构框图；

图4所示为本发明实施例提供的倾斜角测量仪器的测量方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

所谓灵敏度，就是指输出变化量与输入变化量之比，当输出与输入关系为线性时，灵敏度退变为输出与输入之比。

图1所示为基于“固体摆”的电容式倾角传感器的结构示意图。图1中的倾角传感器通过感知通过物体轴心的地球引力向量来测量倾斜角度，其包括一个固定在壳体上的悬臂梁，悬臂梁上连接上一活动极板，活动极板位于两块固定极板之间。为便于说明，将图1中的悬臂梁简化为具有一定阻尼的弹性系统。物体m的重力使悬臂梁产生变形，对于不同的倾斜角，存在与之相对应的悬臂梁变形量。随着悬臂梁在重力的作用下发生变形，活动极板相应地在两块固定极板之间移动，活动极板的位置变化将引起极板之间电容量的改变，通过检测极板之间的电容量，即可获知倾斜角的大小。需要指出的是，虽然此处是基于“固体摆”的电容式倾斜角传感器对本发明进行说明，但本领域的技术人员可以理解，本发明同样适用于基于“液体摆”或“气体摆”及其它技术的测量装置。

如图1所示，当倾斜角为φ时，在物体m的重力作用下而形成的轴向作用力为F＝mgsinφ，所述作用力使悬臂梁的端部产生位移x：

$x=\frac{F}{k}=\frac{\mathrm{mg}}{k}\sin \mathrm{\φ}---\left(1\right)$

其中k为弹性强度。可利用下式将位移x转换为一个电压输出量：

$\mathrm{Vp}=k_{p}x=\frac{k_p}{k}\mathrm{mg}\sin \mathrm{\φ}---\left(2\right)$

其中Kp表示通过检测电容变化而获得的电压与位移x之间的比例系数。经过增益放大器后的最终输出结果V_O为：

$V_O=\frac{k_p{k}_v}{k}\mathrm{mg}\sin \mathrm{\φ}---\left(3\right)$

在±15°小角度范围内测量时，可以认为VO与φ成线性关系，即

$V_O=\frac{k_p{k}_v}{k}\mathrm{mg}\frac{\mathrm{\π\φ}}{180}---\left(4\right)$

令

则Sen为所述倾角传感器的灵敏度，式(4)可以简化为：

V_O＝Sen·φ                      (5)

图2为根据本发明实施例提供的倾斜角测量仪器的灵敏度和零位校准过程示意图，下面详细描述本发明的倾斜角测量仪器的灵敏度和零位校准过程。

本发明实施例提供了一种倾斜角测量仪器，其包括支架、旋转圆盘、倾角传感器、A/D转换器、电机、微处理器和数字输出接口。所述A/D转换器采集并转换所述倾角传感器的输出电压，并将其结果输送至所述微处理器，所述微处理器基于特定的函数关系根据所述倾角传感器的输出电压计算出测量基准面与水平面之间的倾斜角。所述倾角传感器安装在所述旋转圆盘上，所述旋转圆盘垂直固定在所述电机的旋转轴上，所述电机垂直安装在所述支架上，所述支架包括一水平面板和一垂直面板，所述水平面板为测量基准面，所述垂直面板用于固定电机。所述旋转圆盘可以绕着所述电机的旋转轴旋转任意角度。

首先，将所述倾角传感器置于所述旋转圆盘上，所述旋转圆盘的表面垂直于所述支架上的所述测量基准面。此位置为所述倾角传感器的初始位置，即第一位置，在所述第一位置处，记录所述倾角传感器的输出电压，然后，将所述旋转圆盘垂直旋转一标准角度θ，此位置为所述倾角传感器的第二位置，所述标准角度θ介于正负15°之间，延时后再次记录所述倾角传感器在所述第二位置时的输出电压。当所述倾角传感器处于水平状态时，理论上所述倾角传感器的输出电压为零，实际上所述倾角传感器存在零位漂移，会有一个零位偏差电压V_ψ，所以在所述第一位置和所述第二位置的输出电压分别为：

式中φ₁为所述倾角传感器在所述第一位置相对于所述测量基准面的倾角值，φ₂为所述倾角传感器在所述第二位置相对于所述测量基准面的倾角值。

由式(7)减去式(6)得：

ΔV＝V₂-V₁＝Sen·(φ₂-φ₁)＝Sen·θ         (8)

由式(8)得：

$\mathrm{Sen}=\frac{V_2-V_1}{\mathrm{\θ}}---\left(9\right)$

由式(9)可以求出灵敏度Sen的值，将灵敏度Sen应用于后续测量，即可完成灵敏度的校准。

灵敏度校准之后，继续将所述旋转圆盘垂直旋转到相对于所述第一位置180°的第三位置处，延时后记录所述倾角传感器的输出电压，则所述倾角传感器在所述第一位置和所述第三位置的输出电压则不同，分别为：

式中-φ₁为所述倾角传感器在所述第三位置相对于所述测量基准面的倾角值。

将式(10)加上式(11)除以2得：

从式(12)中可以看出，通过测量所述第一位置和所述第三位置处所述倾角传感器的输出电压，可以得到零位偏差电压V_ψ，在后续测量中，将测量电压值减去零位偏差电压值，就可以得到真实的电压值，通过式(5)，就可以反算出真实的角度值，从而完成零位校准。在实际应用过程中，以下的基本条件必须满足：

·在所述第一位置、第二位置和第三位置时的所述旋转圆盘处于同一平面内。

·在自动校准时，应尽量避免测量仪器震动。

·因所述倾角传感器存在一定的响应时间，所以在读取所述倾角传感器的输出电压之前，应当使所述旋转圆盘在所述第一位置、第二位置及第三位置保持一定的时长，以使所述倾角传感器的输出达到平衡状态。

如图3所示，为本发明实施例提供的倾斜角测量仪器的结构框图，为便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

图3所示为根据本发明实施例提供的倾斜角测量仪器的结构框图。本发明实施例提供的倾斜角测量仪器中，所述电机选用易于进行精确控制的步进电机来实现所述旋转圆盘的旋转。所述电机也可以选用伺服电机来实现所述旋转圆盘的旋转。将所述倾角传感器安装在所述旋转圆盘的边缘位置，所述旋转圆盘垂直安装在所述步进电机的旋转轴上，所述步进电机和所述旋转圆盘都由所述支架固定。通过所述A/D转换器采集所述第一位置、第二位置和第三位置处的所述倾角传感器的输出电压，所述微处理器对采集的数据进行处理，完成灵敏度校准和零位校准之后，通过数字输出接口输出测量面的倾斜角值。本发明实施例提供的数字输出接口为RS232接口。

在本发明实施例中，所述倾角传感器选用基于“固体摆”的倾角传感器；

进一步的，本发明也可以选用基于“液体摆”的倾角传感器或者基于“气体摆”的倾角传感器。

本发明实施例还提供所述倾斜角测量仪器的测量方法，如图4所示，所述测量方法包括以下步骤：

所述倾斜角测量仪器上电启动，初始化；

读取所述第一位置处所述倾角传感器的第一输出电压值；

所述微处理器控制所述电机转动，使所述旋转圆盘垂直旋转一个标准角度到第二位置；

延时，读取所述第二位置处所述倾角传感器的第二输出电压值；

由所述第二输出电压值和所述第一输出电压值的差值除以所述标准角度，计算出所述倾角传感器的灵敏度；

所述微处理器控制所述电机转动，使所述旋转圆盘再次垂直旋转到相对所述第一位置180°的第三位置；

延时，读取所述第三位置处所述倾角传感器的输出电压值；

根据所述第一位置和所述第三位置所述倾角传感器的输出电压的和，计算出零位偏差电压；

延时，正式测量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种倾斜角测量仪器，包括倾角传感器、A/D转换器、微处理器和数字输出接口，其特征在于：

所述倾斜角测量仪器还包括支架、旋转圆盘、电机；

所述倾角传感器、A/D转换器、微处理器和数字输出接口、电机之间做正确的电连接；

所述倾角传感器安装在所述旋转圆盘上；

所述旋转圆盘固定在所述电机的旋转轴上，可以绕着电机的旋转轴旋转任意角度；

所述电机垂直安装在所述支架上，所述支架包括一水平面板和一垂直面板，所述水平面板为测量基准面，所述垂直面板用于固定电机。

2.如权利要求1所述的倾斜角测量仪器，其特征在于：所述倾角传感器为基于“固体摆”的倾角传感器。

3.如权利要求1所述的倾斜角测量仪器，其特征在于：所述倾角传感器为基于“液体摆”的倾角传感器。

4.如权利要求1所述的倾斜角测量仪器，其特征在于：所述倾角传感器为基于“气体摆”的倾角传感器。

5.如权利要求1所述的倾斜角测量仪器，其特征在于：所述电机为步进电机或伺服电机。

6.如权利要求1所述的倾斜角测量仪器，其特征在于：所述数字输出接口为RS232接口。

7.如权利要求1所述的倾斜角测量仪器，其特征在于：所述倾斜角测量仪器的测量角度在±15°范围内。

8.一种倾斜角测量仪器的方法，所述倾斜角测量仪器包括支架、旋转圆盘、倾角传感器、A/D转换器、电机、微处理器和数字输出接口；所述支架用于垂直固定所述电机，且所述支架上含有测量基准面，所述A/D转换器采集所述倾角传感器的输出电压，并将其结果输送至所述微处理器，所述微处理器基于特定的函数关系根据所述倾角传感器的输出电压计算出所述测量基准面与水平面之间的倾斜角。所述倾角传感器安装在所述旋转圆盘上，所述旋转圆盘固定在所述电机的旋转轴上，所述旋转圆盘可以绕着所述电机的所述旋转轴旋转任意角度，其特征在于，所述倾斜角测量仪器的方法包括以下步骤：

所述倾斜角测量仪器上电启动，初始化；

读取初始位置，即第一位置处所述倾角传感器的第一输出电压值；

所述微处理器控制所述电机转动，使所述旋转圆盘垂直旋转一个标准角度到第二位置；

延时，读取所述第二位置处所述倾角传感器的第二输出电压值；

由所述第二输出电压值和所述第一输出电压值的差值除以所述标准角度，计算出所述倾角传感器的灵敏度；

所述微处理器控制所述电机转动，使所述旋转圆盘再次垂直旋转到相对所述第一位置180°的第三位置；

延时，读取所述第三位置处所述倾角传感器的输出电压值；

根据所述第一位置和所述第三位置所述倾角传感器的输出电压的和，计算出零位偏差电压；

延时，正式测量。

9.如权利要求8所述的倾斜角测量仪器的方法，其特征在于，所述倾角传感器为基于“固体摆”或“液体摆”或“气体摆”的倾角传感器。

10.如权利要求8所述的倾斜角测量仪器的方法，其特征在于，所述电机为步进电机或伺服电机。

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