CN103604416A - 一种高精度双轴倾斜传感器 - Google Patents

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李桂平
罗孝兵
蓝彦
华涛
熊光亚
郑水华
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Abstract

本发明公开了一种高精度双轴倾斜传感器，包括底座和安装在底座上的壳体；壳体内安装有两个相互垂直的测斜组件和变送电路板及传感器电路板；变送电路板上设有通过拟合算法计算出倾斜角度值的微处理器、与微处理器输入端相连接的电源电路和与微处理器相应接口相连接的通信电路及A/D转换电路；A/D转换电路的输入端连接有传感器信号接口电路；每个测斜组件中的测斜芯片通过传感器电路板上的传感器信号端子与传感器信号接口电路输入端相连接。本发明通过选用两个测斜组件，通过在空间上垂直安装来实现双轴测斜功能，避免了双轴测斜芯片固有精度低的缺陷；微处理器通过拟合算法降低了测斜芯片的非线性误差。

Description

一种高精度双轴倾斜传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，具体涉及一种用于测量两个相互垂直方向角度变化的高精度双轴倾斜传感器。
背景技术
现有的双轴倾斜传感器包括双轴测斜芯片与壳体，双轴测斜芯片的测量结果有模拟输出与数字输出两种，在单芯片上实现双轴测斜功能。通过变送电路将测量结果以模拟量输出或数字量输出。这些技术的缺点主要有：
（1）精度低：
目前国内外厂家生产双轴测斜芯片精度都较低，直接导致应用此方案的双轴倾斜传感器精度低。
（2）非线性度误差大：
由于传感器倾斜角度值与电压输出值实际上是呈正弦函数关系的，不是线性函数，所以需要用软件方法补偿。
模拟输出的双轴倾斜传感器不直接输出角度测量值，需要在后端处理，增加了系统复杂程度，无法消除处理芯片安装误差，机械加工误差等因素的影响，导致非线性度误差较大。
数字输出的双轴倾斜传感器直接输出角度测量值，其校准由双轴测斜芯片的厂家在出厂时完成，同样无法消除处理芯片安装误差，机械加工误差等因素的影响，非线性度误差同样较大。
（3）温漂大：
目前双轴测斜芯片温漂一般在0.008°/℃，在-40～125℃范围内温漂接近1°，灵敏度误差一般在±0.014％/℃，在-40～125℃范围内灵敏度误差接近2.5°，并且目前的设计方案未对此温度影响进行处理。导致精度较低。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种非线性度误差小的高精度双轴倾斜传感器。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明包括底座和安装在底座上的壳体；壳体内安装有两个相互垂直的测斜组件和变送电路板及传感器电路板；变送电路板上设有通过拟合算法计算出倾斜角度值的微处理器、与微处理器输入端相连接的电源电路和与微处理器相应接口相连接的通信电路及A/D转换电路；A/D转换电路的输入端连接有传感器信号接口电路，通信电路与外部数据采集器进行通信；每个测斜组件中的测斜芯片通过传感器电路板上的传感器信号端子与传感器信号接口电路输入端相连接；电源电路通过传感器电路板上的电源接口端子为测斜芯片提供所需工作电压。
上述微处理器相应接口还连接有可实时测量高精度双轴倾斜传感器内部温度的温度测量电路，微处理器还根据温度测量电路测量到的温度对倾斜角度值进行补偿得到最终倾斜角度值。
上述电源电路输入端以及通信电路与外部数据采集器、电源接口端子与测斜芯片输入端、测斜芯片输出端与传感器信号端子之间的电路均设有保护电路。
上述壳体采用不锈钢材料制成。进行了防水设计，密封性好，可直接安装在建筑物上。
本发明通过选用两个测斜组件，通过在空间上垂直安装来实现双轴测斜功能，避免了双轴测斜芯片固有精度低的缺陷；微处理器通过拟合算法降低了测斜芯片的非线性误差；而且，本发明通过进行温度测量，补偿了温漂和灵敏度误差。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的仰视图；
图3为图1中变送电路板电路框图；
图4为图1中传感器电路板电路框图（包含测斜芯片）。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
本发明包括底座和安装在底座上的壳体5；其中，壳体5内安装有两个相互垂直的测斜组件14和变送电路板6及传感器电路板9。对外提供RS485接口，支持多种通讯协议，可方便接入监控系统。
参见图1，底座包括安装底板13和通过紧固件安装在底板上的传感器安装座11。壳体5与传感器安装座11之间通过O型圈12进行密封。在传感器安装座11上通过紧固件固定有仪器座8，在仪器座8与传感器安装座11的接触面还设有仪器座垫板10，仪器座8上安装有变送电路板安装座7。
变送电路板6及传感器电路板9分别安装在变送电路板安装座7及传感器安装座11上。
屏蔽电缆1通过固定部件固定在壳体5的壳体安装孔内，固定部件包括锥形密封圈4、垫圈3和压螺2。
屏蔽电缆1的底端与变送电路板6相连接。屏蔽电缆1选用四芯屏蔽电缆以提高其抗电磁干扰能力。
两块测斜组件14分别安装在仪器座8的上下两面，且安装位置相互垂直，保证测斜芯片敏感方向相互垂直。
参见图2，安装底板13上标明了双轴倾斜传感器的敏感方向（X轴、Y轴方向），通过螺钉将双轴倾斜传感器的壳体固定在安装底板13上。为了减少安装误差，安装底板13的安装孔采用活动式结构，可以进行小范围的微调，从而减少安装误差。
参见图3，变送电路包括微处理器、温度测量电路、电源电路、通信电路、A/D转换电路和两个保护电路。
其中，微控制器选用STM32系列低功耗ARM处理器，内含128K字节FLASH存贮空间（用于存储程序、数据，并实现掉电保护），其全速工作电流仅为470uA（2MHz）。
电源电路采用低压差线性稳压器件，提供微处理器工作所需电源，并使用精密电压基准提供A/D芯片与高精度的测斜芯片所需工作电压。
与电源电路输入端相连接的保护电路包含防反接保护、过压保护、过流保护、浪涌保护等单元，可有效保护电路正常工作。
通信电路采用MAX3471EUA芯片，其接收模式电流仅有1.6uA。
与通信电路输入端相连接的保护电路提供浪涌保护，防止通信故障。
温度补偿电路对双轴倾斜传感器内的温度进行实时测量，根据测量温度对倾斜角度值进行补偿，降低了温度对测量精度的影响。
传感器信号接口电路负责对传感器信号进行调理。
测量时，微处理器通过通信电路与数据采集器通信，接收到其测量指令后，使用A/D转换电路对传感器信号进行采集，再对采集数据进行换算，得到倾斜角度值；接收到数据采集器的温度测量指令后，再接受其取数据指令，将补偿换算后得到的最终倾斜角度值数据传送到外部数据采集器。
变送电路板6在不需要测量时，对外设芯片包括温度测量电路、A/D转换电路、测斜芯片进行关断，并自动降低自身CPU的主频，从而降低待机功耗。在接收到测量指令时，再打开上述电路并恢复CPU的主频到较高工作频率，测量并发送数据完毕后，再次进入低功耗模式。
参见图4，每个测斜芯片通过传感器电路板9上的传感器信号端子与传感器信号接口电路输入端相连接；电源电路通过传感器电路板9上的电源接口端子为测斜芯片提供所需工作电压。电源接口端子与测斜芯片输入端、测斜芯片输出端与传感器信号端子之间的电路均设有保护电路
测斜芯片选用高精度伺服加速度MEMS器件，具有精度高、温漂小的特点。
图4中的两个保护电路包含防反接保护、过压保护、过流保护、浪涌保护等单元，可有效保护电路正常工作。
表1 双轴倾斜传感器标定表
Figure BDA0000409631870000061
传感器的非线性校准使用测斜标定架，标定架从-15°每隔3°调节到+15°，对传感器的电压输出结果填写标定表，如表1所示，为提高拟合精度，使用3次多项式拟合。
y=a0+a1×X+a2×X2+a3×X3  （4-1）
将拟合系数通过设置软件设置到传感器中，传感器在通过角度时，将测斜芯片输出的电压使用公式4-1计算出倾斜角度值。拟合算法为现有技术，此处不再赘述。
为校正传感器的温漂，增加了温度测量电路，微处理器通过测量到的温度，再根据厂家给出的温度补偿公式，分别计算出传感器的温度漂移误差补偿值Offcorr与灵敏度误差补偿系数Scorr。
输出的最终倾斜角度值如公式4-2所示。
α=y(1+Scorr/100)+Offcorr  （4-2）
微处理器根据温度测量电路测量到的温度对倾斜角度值进行补偿运算，为现有技术，此处不再赘述。
本发明采用两个高精度的测斜组件，在空间上进行垂直安装，实现了双轴倾斜测量功能，避免了使用单芯片双轴测斜传感器精度低的问题。
本发明对测斜芯片全量程进行最小二乘拟合，并对传感器设置拟合参数，降低了测斜芯片的非线性误差、安装误差、机械加工误差对测量精度的影响，有效解决了现有方案非线性度误差大的缺点。
本发明设计了温度测量电路，通过测量温度并根据高精度测斜芯片的温度特性进行温漂误差补偿和灵敏度补偿，降低了温度对测量精度的影响。
本发明可以有效解决现有技术方案测量精度低、温漂大的缺点，有效提高了传感器的测量精度。
本发明可以广泛用于建筑物倾斜角的测量，如杆塔倾斜、大坝与工程监测（坝体、边坡、道路、桥梁等方面）等。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种高精度双轴倾斜传感器，其特征在于，包括底座和安装在底座上的壳体；
所述壳体内安装有两个相互垂直的测斜组件和变送电路板及传感器电路板；
所述变送电路板上设有通过拟合算法计算出倾斜角度值的微处理器、与微处理器输入端相连接的电源电路和与微处理器相应接口相连接的通信电路及A/D转换电路；所述A/D转换电路的输入端连接有传感器信号接口电路，所述通信电路与外部数据采集器进行通信；
每个所述测斜组件中的测斜芯片通过传感器电路板上的传感器信号端子与传感器信号接口电路输入端相连接；
所述电源电路通过传感器电路板上的电源接口端子为测斜芯片提供所需工作电压。
2.根据权利要求1所述的高精度双轴倾斜传感器，其特征在于，
所述微处理器相应接口还连接有可实时测量高精度双轴倾斜传感器内部温度的温度测量电路，所述微处理器还根据温度测量电路测量到的温度对倾斜角度值进行补偿得到最终倾斜角度值。
3.根据权利要求1或2所述的高精度双轴倾斜传感器，其特征在于，所述电源电路输入端以及通信电路与外部数据采集器、电源接口端子与测斜芯片输入端、测斜芯片输出端与传感器信号端子之间的电路均设有保护电路。
4.根据权利要求3所述的高精度双轴倾斜传感器，其特征在于，所述壳体采用不锈钢材料制成。
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