CN103697860B - 一种对贴差分式高分辨率倾角传感仪 - Google Patents
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Abstract
一种对贴差分式高分辨率倾角传感仪，包括分别置于电路板正反面的正贴倾角敏感元件和反贴倾角敏感元件，与两者依次连接的信号差分放大模块、数据采集模块，与数据采集模块连接的液晶显示模块和蓝牙数据传输模块；利用信号差分放大模块先分别对两个倾角传感器敏感元件输出的模拟电压进行放大，作差后的模拟电压信号经由数据采集模块A/D转换后换算成倾角值，通过液晶显示模块和蓝牙数据传输模块分别显示和输出；一方面，信号差分放大模块有效的提高了单个倾角传感器敏感元件的分辨率；另一方面，两个对贴式放置的倾角敏感元件敏感方面相反，输出倾角值也相反，将两个倾角值作差后，分辨率再次提高了一倍；同时两个倾角敏感元件的温度漂移方向一致，作差后可以非常有效的抑制温度漂移，提高了长期稳定性以及测量精度。
Description
技术领域
本发明属于倾角测量技术领域，具体涉及一种对贴差分式高分辨率倾角传感仪。
背景技术
在众多应用领域中，如测量机床仪器导轨的直线度、高精度设备安装、机器人运动控制、姿态自适应控制等，常常需要对倾角进行测量。目前倾角测量方法多种多样，但是角秒量级测量仪器如光学自准直仪、激光干涉测角仪和气泡水平仪等售价昂贵，无法在各个领域得到广泛应用。随着传感器技术、电子技术和计算机技术的快速发展，涌现出一大批全数字式智能倾角传感器，随着MEMS技术的快速发展，基于MEMS加速度计的差动式倾角传感器日益完善，其小型化，性能高，高精度的优势在科研领域和工业现场得到了广泛的应用。但是，倾角传感器在实际运用中存在分辨率不高，非线性误差和温度漂移的问题，精度受其影响存在测量误差。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种对贴差分式高分辨率倾角传感仪，具有非常有效的提高分辨率，解决温漂问题，从而提高精度的优点。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种对贴差分式高分辨率倾角传感仪，包括分别置于电路板正反面的正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3，所述正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3和信号差分放大模块4的输入端相连接，所述信号差分放大模块4的输出端和数据采集模块5的输入端相连接，所述数据采集模块5的输出端分别连接液晶显示模块6和蓝牙数据传输模块7，还包括为整个传感仪供电的电源供电模块1；所述正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3分别敏感各自的重力加速度信号，并将重力加速度信号转换为两路模拟电压信号，传输模拟电压信号给所述的信号差分放大模块4，所述信号差分放大模块4分别将正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3输出的两路模拟电压信号进行差分放大分别得到正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3的模拟差分电压值，所述的信号差分放大模块4再次将正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3的两路模拟电压值作差，并将得到的模拟电压值传输到所述的数据采集模块5，所述的数据采集模块5通过A/D采集转换成数字信号后，换算成角度值并传输到所述液晶显示模块6和蓝牙数据传输模块7显示和输出。换算出的倾角值是敏感于重力加速度的倾角值，是相对于水平面绝对倾角值，在使用过程中，倾角值的变化量是测量重点，在换算出来的倾角值的基础上减去初始位置的绝对倾角值就得到相对于初始位置的相对倾角值，利于测量与观察。
所述正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3为能够正反使用的基于MEMS加速度计的差动式贴片倾角传感器。
所述正贴倾角敏感元件2所放的位置在电路板上面板正贴水平放置，反贴倾角敏感元件3在正贴倾角敏感元件2放置基础上绕着与敏感方向水平垂直的方向旋转180°后，放置于电路板下面板反贴，且正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3的位置在一个竖直平面。
所述蓝牙数据传输模块7从数据采集模块5获得角度数字信号后，将绝对倾角值和相对倾角值的数字信号发送给用户的蓝牙手机或者其他蓝牙接收模块；同时接收用户发送的清零指令，将相对倾角值复位为零，绝对倾角值不变。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明的对贴差分式高分辨率倾角传感仪通过将两个倾角敏感元件对贴式布置，可以同时测量出同一方向的两个相反的倾角值，当倾角传感仪从水平面发生的倾斜的时候，两个倾角敏感元件输出的电压信号一个为正值且持续增大，另外一个输出为负值且持续减小。将这两路模拟电压信号传输到信号差分放大模块。信号差分放大模块首先对单一倾角敏感元件输出的模拟电压值进行放大，提高单一倾角敏感元件的分辨率。其次，由于两个倾角敏感元件输出模拟电压相反，信号差分放大模块将两个倾角敏感元件差分放大后的模拟电压值进行作差后得到倾角的双倍模拟电压值，因此分辨率再次提高一倍，配合高性能的倾角敏感元件如SCA103T-D04，可以将系统的分辨率达到3″，精度在1°范围内优于±3″。
2、本发明的对贴差分式高分辨率倾角传感仪由于两个倾角敏感元件对贴式放置，两个倾角敏感元件的温度漂移方向是一致的。信号差分放大模块将两个倾角敏感元件输出的模拟电压作差后可以很好的消除掉温度漂移为主的共模噪声，省去了温度补偿。
3、本发明的对贴差分式高分辨率倾角传感仪分辨率高，精度高，温度漂移小，稳定性高，抗干扰能力强，结构简单，成本低廉。
附图说明
图1为本发明的对贴差分式高分辨率倾角传感仪原理示意图。
图2为本发明的对贴差分式高分辨率倾角传感仪的结构组成示意图。
图3为本发明的对贴差分式高分辨率倾角传感仪的分辨率数据图。
图4为本发明的对贴差分式高分辨率倾角传感仪的精度数据图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例题，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种对贴差分式高分辨率倾角传感仪，包括分别置于电路板正反面的正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3，所述正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3和信号差分放大模块4的输入端相连接，所述信号差分放大模块4的输出端和数据采集模块5的输入端相连接，所述数据采集模块5的输出端分别连接液晶显示模块6和蓝牙数据传输模块7，还包括为整个传感仪供电的电源供电模块1；所述正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3分别敏感各自的重力加速度信号，并将重力加速度信号转换为两路模拟电压信号，传输模拟电压信号给所述的信号差分放大模块4，所述信号差分放大模块4分别将正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3输出的两路模拟电压信号进行差分放大分别得到正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3的模拟差分电压值，所述的信号差分放大模块4再次将正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3的两路模拟电压值作差，并将得到的模拟电压值传输到所述的数据采集模块5，所述的数据采集模块5通过A/D采集转换成数字信号后，换算成角度值并传输到所述液晶显示模块6和蓝牙数据传输模块7显示和输出；换算出的倾角值是敏感于重力加速度的倾角值，是相对于水平面绝对倾角值，在使用过程中，倾角值的变化量是测量重点，在换算出来的倾角值的基础上减去初始位置的绝对倾角值就得到相对于初始位置的相对倾角值，利于测量与观察。本实施例电源供电模块1包含由两个12V蓄电池构成的±12V的直流电压为整个倾角传感器系统供电，同时将+12V利用两个串联的2.5V基准电压芯片转换成纹波噪声很低的+5V直流电压为所述的正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3供电。
所述正贴倾角敏感元件2所放的位置在电路板上面板正贴水平放置，反贴倾角敏感元件3在正贴倾角敏感元件2放置基础上绕着与敏感方向水平垂直的方向旋转180°后，放置于电路板下面板反贴，且正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3的位置保证在一个竖直平面。
作为本发明的优选实施方式，所述正贴倾角敏感元件2和反贴倾角敏感元件3为能够正反使用的基于MEMS加速度计的差动式贴片倾角传感器。
作为本发明的优选实施方式，所述蓝牙数据传输模块7从数据采集模块5获得角度数字信号后，将绝对倾角值和相对倾角值的数字信号发送给用户的蓝牙手机或者其他蓝牙接收模块；同时接收用户发送的清零指令，将相对倾角值复位为零，绝对倾角值不变。
如图2所示，为本发明对贴差分式高分辨率倾角传感仪的结构组成示意图，包括底板11，固定在底板11上的外壳8，置于外壳8内、固定在底板11上的电路板10，电路板10上包含信号差分放大模块、数据采集模块、液晶显示模块驱动和蓝牙数据传输模块，电路板10上固定液晶显示屏9，其中正贴倾角敏感元件2正贴与电路板10上面板，反贴倾角敏感元件3反贴于电路板10下面板。
如图3所示，为本发明对贴差分式高分辨率倾角传感仪的分辨率数据图，其中实线为光学自准直仪3″步距分辨率数据。自准直仪分辨率为0.05″，精度为0.25″。中空点为对贴差分式高分辨率倾角传感仪3″步距分辨率数据。自准直仪数据和倾角传感器数据是同时测量出来的数据，为了能清晰的显示，因此将两组数据在采样点轴上错开。从图中可以看出：当倾角传感器以3″为步距转动时，自准直仪和倾角传感器同时响应当前的角度变化并输出倾角值。由自准直仪数据可知运动过程是3″为步距的台阶转动，倾角传感器数据可以响应出3″为步距的台阶转动。
如图4所示，为本发明对贴差分式高分辨率倾角传感仪的精度数据图，其中实线为光学自准直仪2000″测量数据（左边Y轴），中空点为对贴差分式高分辨率倾角传感仪2000″测量数据（左边Y轴），实心方块为两者数据残差（右边Y轴）。自准直仪数据和倾角传感器数据是同时测量出来的数据，为了能清晰的显示，因此将两组数据在采样点轴上错开。从图中可以看出：当倾角传感器从0″匀速转动到2050″，并往返转动时，自准直仪和倾角传感器同时响应当前的角度变化并输出倾角值。由自准直仪数据和倾角传感器数据可知两者均能响应当前的倾角值。两者数据的残差值在±3″内，表明倾角传感器的精度优于±3″。
Claims (4)
1.一种对贴差分式高分辨率倾角传感仪，包括分别置于电路板正反面的正贴倾角敏感元件(2)和反贴倾角敏感元件(3)，其特征在于：所述正贴倾角敏感元件(2)和反贴倾角敏感元件(3)和信号差分放大模块(4)的输入端相连接，所述信号差分放大模块(4)的输出端和数据采集模块(5)的输入端相连接，所述数据采集模块(5)的输出端分别连接液晶显示模块(6)和蓝牙数据传输模块(7)，还包括为整个传感仪供电的电源供电模块(1)；所述正贴倾角敏感元件(2)和反贴倾角敏感元件(3)分别敏感各自的重力加速度信号，并将重力加速度信号转换为两路模拟电压信号，传输模拟电压信号给所述的信号差分放大模块(4)，所述信号差分放大模块(4)分别将正贴倾角敏感元件(2)和反贴倾角敏感元件(3)输出的两路模拟电压信号进行差分放大分别得到正贴倾角敏感元件(2)和反贴倾角敏感元件(3)的模拟差分电压值，所述的信号差分放大模块(4)再次将正贴倾角敏感元件(2)和反贴倾角敏感元件(3)的两路模拟电压值作差，并将得到的模拟电压值传输到所述的数据采集模块(5)，所述的数据采集模块(5)通过A/D采集转换成数字信号后，换算成倾角值并传输到所述液晶显示模块(6)和蓝牙数据传输模块(7)显示和输出。
2.根据权利要求1所述的一种对贴差分式高分辨率倾角传感仪，其特征在于：所述正贴倾角敏感元件(2)和反贴倾角敏感元件(3)为能够正反使用的基于MEMS加速度计的差动式贴片倾角传感器。
3.根据权利要求1所述的一种对贴差分式高分辨率倾角传感仪，其特征在于：所述正贴倾角敏感元件(2)所放的位置在电路板上面板正贴水平放置，反贴倾角敏感元件(3)在正贴倾角敏感元件(2)放置基础上绕着与敏感方向水平垂直的方向旋转180°后，放置于电路板下面板反贴，且正贴倾角敏感元件(2)和反贴倾角敏感元件(3)的位置在一个竖直平面。
4.根据权利要求1所述的一种对贴差分式高分辨率倾角传感仪，其特征在于：所述蓝牙数据传输模块(7)从数据采集模块(5)获得角度数字信号后，将绝对倾角值和相对倾角值的数字信号发送给用户的蓝牙手机或者其他蓝牙接收模块；同时接收用户发送的清零指令，将相对倾角值复位为零，绝对倾角值不变。
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