CN102353356B - 一种数字化倾斜仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种数字化倾斜仪及其测量方法，所述倾斜仪包括处理器、倾角传感器、滤波单元、电源系统、数显分度转台；倾角传感器提供高分辨率的倾斜角度，滤波单元对倾角传感器输出的模拟信号滤波，处理器对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，达到真实地反映出倾角输出信息；处理器对数字处理后的信号进行角度转换，利用数显分度转台对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；测量后，处理器利用计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿。本发明能提供常温20角秒的测量精度，同时可保证-40℃～85℃的温度区间±0.03°的最大温漂，相对现有数字倾斜仪有明显优势。

Description

一种数字化倾斜仪及其测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种倾斜仪，尤其涉及一种作水平测量及自动调平的数字化倾斜仪；同时，本发明还涉及一种数字化倾斜仪的测量方法。

背景技术

数字化倾斜仪是用来测量物体随时间的倾斜变化及铅垂线随时间变化的仪器。

精度是衡量数字倾斜仪关键指标，直接决定数字倾斜仪的性能，现有的数字倾斜仪测量精度较低，一般在0.05或更差。

温度是环境对数字倾斜仪测量精度影响的一个重要因素，温度的变化会影响到数字倾斜仪输出的变化，造成测量精度变差，现有的数字倾斜仪温漂较大，一般在±0.4°。

响应频率是反映数字倾斜仪动态测量的性能指标，高精度数字倾斜仪输出的数字量是经过数字滤波处理，如FIR或IIR等其他数字滤波方式，这会导致数字倾斜仪响应滞后。

正交误差是双轴数字倾斜仪的两个灵敏轴在空间上非正交性，导致轴间在测量时交叉耦合，影响测量精度，或影响面调平。

此外，现有的高精度数字倾斜仪在控制软件内一般要做线性补偿、温度补偿、正交补偿等，这些补偿数据需要从多次测量数据中分析、提取，并最终固化到数字倾斜仪软件内，这样会导致增加生产的工作量，生产单位产品所耗工时较多，增加了成本。同时，现有的数字倾斜仪提供的接口较单一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种数字化倾斜仪，可提高检测的精确度，同时提高检测效率。

此外，本发明还提供一种数字化倾斜仪的测量方法，可提高检测的精确度，同时提高检测效率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种数字化倾斜仪，所述倾斜仪包括：处理器、倾角传感器、滤波单元、电源系统、数显分度转台；

所述处理器连接倾角传感器、滤波单元、电源系统、数显分度转台，所述电源系统连接倾角传感器、滤波单元、数显分度转台；

所述倾角传感器用以提供高分辨率的倾斜角度，滤波单元对倾角传感器输出的模拟信号滤波，处理器对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，达到真实地反映出倾角输出信息；

所述处理器对数字处理后的信号进行角度转换，利用外部高精度的数显分度转台对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；

测量后，处理器利用计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿。

作为本发明的一种优选方案，所述处理器利用最小二乘法算法对在线测试数据运算，计算出合适的线性标定系数，并存储于处理器内的存储空间；每一次测量后，处理器利用事先计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿，达到提高倾角测量的线性度的目的。

所述处理器的线性补偿方法包括：

对一组标准值a₁，a₂，a₃，...，a_k，和对应该组标准值的实际测量所得一组值b₁，b₂，b₃，...，b_k，根据两组值拟合出一个多项式a_i＝F(b_i)，i＝1...k，即f＝k₀+k₁C+k₂C²+k₃C³+...+k_mC^m，k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m为多项式系数，C＝a₁，a₂，a₃，...，a_k；

利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该多项式对采集的数据进行多项式计算，即数据补偿。

作为本发明的一种优选方案，所述滤波单元为硬件滤波单元，用以对倾角传感器输出的模拟信号带宽内滤波。

作为本发明的一种优选方案，所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂和灵敏度温漂做补偿。

零点温漂补偿方法包括：对倾斜仪的零点输出做温度试验，测量出倾斜仪的零点输出受温度影响的变化，利用最小二乘法拟合出零点输出与温度变化之间的多项式关系式，Z＝Z(T)，即Z(T)＝k₀+k₁T+k₂T²+k₃T³+...+k_mT^m，其中，k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m为多项式系数；利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该关系式对零点输出做补偿。

灵敏度温漂补偿方法包括：对倾斜仪的灵敏度做温度试验，测量出倾斜仪的灵敏度受温度影响的变化，利用最小二乘法拟合出灵敏度与温度变化之间的多项式关系式，S＝S(T)，即S(T)＝k₀+k₁T+k₂T²+k₃T³+...+k_mT^m，其中，k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m为多项式系数；利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该关系式对灵敏度做温度补偿。

作为本发明的一种优选方案，所述倾斜仪进一步包括232输出接口、485输出接口、422输出接口、V/I输出接口、LCD输出接口、CAN接口。

作为本发明的一种优选方案，所述处理器为内置24bit模数转化单元AD的MCU。

一种上述数字化倾斜仪的测量方法，所述测量方法包括如下步骤：

步骤S1、倾角传感器提供高分辨率的倾斜角度，滤波单元对倾角传感器输出的模拟信号滤波；

步骤S2、处理器对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，达到真实地反映出倾角输出信息；

步骤S3、处理器对数字处理后的信号进行角度转换，利用外部高精度的数显分度转台对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；

步骤S4、测量后，处理器利用计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿。

作为本发明的一种优选方案，所述处理器利用最小二乘法算法对在线测试数据运算，计算出合适的线性标定系数，并存储于处理器内的存储空间；

每一次测量后，处理器利用事先计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿，达到提高倾角测量的线性度的目的。

所述处理器的线性补偿方法包括：

对一组标准值a₁，a₂，a₃，...，a_k，和对应该组标准值的实际测量所得一组值b₁，b₂，b₃，...，b_k，根据两组值拟合出一个多项式a_i＝F(b_i)，i＝1...k，即f＝k₀+k₁C+k₂C²+k₃C³+...+k_mC^m，k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m为多项式系数，C＝a₁，a₂，a₃，...，a_k；

利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该多项式对采集的数据进行多项式计算，即数据补偿。

作为本发明的一种优选方案，所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂和灵敏度温漂做补偿。

本发明的有益效果在于：本发明提出的数字化倾斜仪及其测量方法，能够提供常温20角秒的测量精度，能够满足工业应用、研究所及军工单位的测量精度需求。同时，本发明能够保证-40℃～85℃的温度区间±0.03°的最大温漂，相对于现有的同类数字倾斜仪有明显优势。

本数字倾斜仪能够提供丰富的接口，如数字量RS232、RS485、RS422、CAN，LCD显示，数字接口软件协议可选，如Modbus，CAN2.0a或Can2.0b等，模拟量电压和电流，模拟量输出范围可设置。

本发明数字倾斜仪能够提供0～20HZ动态响应范围，优于同类其他数字倾斜仪在这方面的性能指标。另，本发明数字倾斜仪的正交误差能够做到0.1％F.R.O，明显优于现有同类数字倾斜仪在这方面的性能指标。

此外，本发明数字倾斜仪内部软件集成了自标定算法，能够在外部简单的操作实现数字倾斜仪本身数字自动标定。

附图说明

图1为本发明数字化倾斜仪的组成示意图。

图2为本发明倾斜仪测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图1，本发明揭示了一种数字化倾斜仪，所述倾斜仪包括核心高精度MEMS倾角传感器1、硬件滤波单元2、电源系统3、内置24Bit模数转化单元AD的MCU 4、数显分度转台(图未示)、多个输出接口(包括232输出接口5、485输出接口6、422输出接口7、V/I输出接口8、LCD输出接口9、CAN接口10)。所述MCU4连接倾角传感器1、硬件滤波单元2、电源系统3、数显分度转台、各输出接口，所述电源系统3连接倾角传感器1、硬件滤波单元2、数显分度转台、各输出接口。

核心高精度MEMS倾角传感器1可以提供很高的角度分辨率，通过硬件滤波2对高精度MEMS倾角传感器1输出模拟信号带宽内滤波，内置24BitAD的MCU对核心高精度MEMS倾角传感器1输出的模拟信号进行高精度模数转换，在MCU内部软件内作数字信号滤波，达到真实地反映出倾角输出信息。

内置24bit AD的MCU 4会对数字处理后信号进行角度转换，然后会利用外部高精度的数显分度转台对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试。内置24bit AD的MCU 4利用内部最小二乘法算法对在线测试数据运算，计算出合适的线性标定系数，并存储于MCU内部开辟的Flash Data存储空间。每一次测量后，内置24bit AD的MCU 4利用事先计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿，达到提高倾角测量的线性度的目的。

所述处理器的线性补偿方法包括：对一组标准值a₁，a₂，a₃，...，a_k，和对应该组标准值的实际测量所得一组值b₁，b₂，b₃，...，b_k，根据两组值拟合出一个多项式a_i＝F(b_i)，i＝1...k，即f＝k₀+k₁C+k₂C²+k₃C³+...+k_mC^m，k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m为多项式系数，C＝a₁，a₂，a₃，...，a_k；利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该多项式对采集的数据进行多项式计算，即数据补偿。

此外，内置24bit AD的MCU 4可利用软件实现对AD采集的数字信息作FIR或IIR滤波；并可以利用测试得到的正交误差数据，并利用正交补偿算法对正交误差作补偿。同时，本发明可通过内置24bit AD的MCU 4内部集成AD进行配置达到20HZ高精度数据采集输出。

如图1所示，电路内部设置有232输出接口5、485输出接口6、492输出接口7、V/I输出接口8、LCD输出接口9、CAN接口10，提供多种输出接口，其中电路内部构造232输出接口5、485输出接口6、492输出接口7可根据用户需要定制通信协议或按照标准协议提供输出，如ModBus等；CAN接口10可实现Can2.0a/b或Can Open协议输出。V/I输出接口8能够提供电压和电流输出，输出电压可单极性或双极性，输出电压范围达-10VDC～+10VDC，可通过软件内部调整电压输出范围。电流输出可达0～24mA范围，电流输出范围可通过软件内部调整。

此外，所述数字化倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂和灵敏度温漂做补偿。利用外部设备高低温实验箱对核心高精度MEMS倾角传感器1作温度补偿测试(灵敏度温漂、零点温漂)，内置24bitMCU 4利用内部最小二乘法算法对在线对测试数据处理、运算，计算出温度补偿系数，并存储于内部开辟的存储空间内，以后每-次测量数据输出都会被温度补偿系数修正，能够很好地降低温度对传感器的影响。

零点温漂补偿方法包括：对倾斜仪的零点输出做温度试验，测量出倾斜仪的零点输出受温度影响的变化，利用最小二乘法拟合出零点输出与温度变化之间的多项式关系式，Z＝Z(T)，即Z(T)＝k₀+k₁T+k₂T²+k₃T³+...+k_mT^m，其中，k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m为多项式系数；利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该关系式对零点输出做补偿。

灵敏度温漂补偿方法包括：对倾斜仪的灵敏度做温度试验，测量出倾斜仪的灵敏度受温度影响的变化，利用最小二乘法拟合出灵敏度与温度变化之间的多项式关系式，S＝S(T)，即S(T)＝k₀+k₁T+k₂T₂+k₃T³+...+k_mT^m，其中，k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m为多项式系数；利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该关系式对灵敏度做补偿。

上述三个补偿步骤使用了最小二乘法；三个补偿步骤中，多项式的系数k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m根据实际情况计算，在三个补偿步骤中多项式的系数k₀，k₁，k₂，k₃，...，k_m并不要求相等。

以上介绍了本发明数字化倾斜仪的组成，本发明在揭示上述数字化倾斜仪的同时，还揭示一种上述数字化倾斜仪的测量方法；请参阅图2，所述测量方法包括如下步骤：

【步骤S1】倾角传感器提供高分辨率的倾斜角度，滤波单元对倾角传感器输出的模拟信号滤波；

【步骤S2】处理器对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，达到真实地反映出倾角输出信息；

【步骤S3】处理器对数字处理后的信号进行角度转换，利用外部高精度的数显分度转台对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试，所述处理器利用最小二乘法算法对在线测试数据运算，计算出合适的线性标定系数，并存储于处理器内的存储空间；

【步骤S4】每一次测量后，处理器利用事先计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿，达到提高倾角测量的线性度的目的。

综上所述，本发明提出的数字化倾斜仪及其测量方法，能够提供常温20角秒的测量精度，能够满足工业应用、研究所及军工单位的测量精度需求。同时，本发明能够保证-40℃～85℃的温度区间±0.03°的最大温漂，相对于现有的同类数字倾斜仪有明显优势。

本发明数字化倾斜仪硬性好、不易变形、耐高低温、密封性好；同时能够提供丰富的接口，如数字量RS232、RS485、RS422、CAN，LCD显示，数字接口软件协议可选，如Modbus，CAN2.0a或Can2.0b等，模拟量电压和电流，模拟量输出范围可设置。

本发明数字倾斜仪能够提供0～20HZ动态响应范围，优于同类其他数字倾斜仪在这方面的性能指标。另，本发明数字倾斜仪的正交误差能够做到0.1％F.R.O，明显优于现有同类数字倾斜仪在这方面的性能指标。

此外，本发明数字倾斜仪内部软件集成了自标定算法，能够在外部简单的操作实现数字倾斜仪本身数字自动标定。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种数字化倾斜仪，其特征在于，所述倾斜仪包括：处理器、倾角传感器、滤波单元、电源系统、数显分度转台；

所述处理器连接倾角传感器、滤波单元、电源系统、数显分度转台，所述电源系统连接倾角传感器、滤波单元、数显分度转台；

所述倾角传感器用以提供高分辨率的倾斜角度，滤波单元对倾角传感器输出的模拟信号滤波，处理器对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，达到真实地反映出倾角输出信息；

所述处理器对数字处理后的信号进行角度转换，利用外部高精度的数显分度转台对传感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；

测量后,处理器利用计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿。

2.根据权利要求1所述的数字化倾斜仪，其特征在于：

所述处理器利用最小二乘法算法对在线测试数据运算，计算出合适的线性标定系数，并存储于处理器内的存储空间；

每一次测量后,处理器利用事先计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿，以提高倾角测量的线性度；

所述处理器的线性补偿方法包括：

对一组标准值a₁,a₂,a₃，...,a_k，和对应该组标准值的实际测量所得一组值b₁,b₂,b₃，...,b_k，根据两组值拟合出一个多项式a_i＝F(b_i),i＝1...k,即F(b)＝k₀+k₁C+k₂C²+k₃C³+...+k_mC^m，k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m为多项式系数，

利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该多项式对采集的数据进行多项式计算，即数据补偿。

3.根据权利要求1所述的数字化倾斜仪，其特征在于：

所述滤波单元为硬件滤波单元，用以对倾角传感器输出的模拟信号带宽内滤波。

4.根据权利要求1所述的数字化倾斜仪，其特征在于：

所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂做补偿；

零点温漂补偿方法包括：对倾斜仪的零点输出做温度试验，测量出倾斜仪的零点输出受温度影响的变化，利用最小二乘法拟合出零点输出与温度变化之间的多项式关系式，Z＝Z(T),即Z(T)＝k₀+k₁T+k₂T²+k₃T³+...+k_mT^m，其中，k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m为多项式系数；

利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该关系式对零点输出做补偿。

5.根据权利要求1所述的数字化倾斜仪，其特征在于：

所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的灵敏度温漂做补偿；

灵敏度温漂补偿方法包括：对倾斜仪的灵敏度做温度试验，测量出倾斜仪的灵敏度受温度影响的变化，利用最小二乘法拟合出灵敏度与温度变化之间的多项式关系式，S=S（T），即S(T)＝k₀+k₁T+k₂T²+k₃T³+...+k_mT^m，其中，k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m为多项式系数；

利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该关系式对灵敏度做补偿。

6.根据权利要求1所述的数字化倾斜仪，其特征在于：

所述倾斜仪进一步包括232输出接口、485输出接口、422输出接口、V/I输出接口、LCD输出接口、CAN接口。

7.根据权利要求1所述的数字化倾斜仪，其特征在于：

所述处理器为内置24bit模数转化单元AD的MCU。

8.一种权利要求1所述数字化倾斜仪的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：

步骤S1、倾角传感器提供高分辨率的倾斜角度，滤波单元对倾角传感器输出的模拟信号滤波；

步骤S2、处理器对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，达到真实地反映出倾角输出信息；

步骤S3、处理器对数字处理后的信号进行角度转换，利用外部高精度的数显分度转台对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；

步骤S4、测量后,处理器利用计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：

所述处理器利用最小二乘法算法对在线测试数据运算，计算出合适的线性标定系数，并存储于处理器内的存储空间；

每一次测量后,处理器利用事先计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿，以提高倾角测量的线性度；

所述处理器的线性补偿方法包括：

对一组标准值a₁,a₂,a₃，...,a_k，和对应该组标准值的实际测量所得一组值b₁,b₂,b₃，...,b_k，根据两组值拟合出一个多项式a_i＝F(b_i),i＝1...k,即F(b)＝k₀+k₁C+k₂C²+k₃C³+...+k_mC^m，k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m为多项式系数，

利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该多项式对采集的数据进行多项式计算，即数据补偿。

10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：

所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂和灵敏度温漂做补偿。

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