CN103759710A - 用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的方法和倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的方法和倾角传感器，其中所述方法包括：通过设置在曲臂与主臂间的连接轴的倾角传感器，采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测；根据所述外力F_测获取曲臂相对于水平面的倾斜角β。本发明通过充分考虑了倾角传感器安装位置受向心力大小不同的影响，通过将倾角传感器安装在曲臂与主臂之间的连接轴位置，直接使R为0，直接消除了向心力的影响，更简便及节省成本；简化了倾角传感器在曲臂旋转运动情况下倾斜角度的计算过程，提高了测量精度；实现了曲臂在旋转运动状态和静止状态下倾斜角度的精确测量。

Description

用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的方法和倾角传感器

技术领域

本发明涉及角度测量方法及装置，特别涉及一种用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的方法和倾角传感器。

背景技术

在各种登高安装、检测、维修等作业中,经常要使用做旋转运动的曲臂，而曲臂的倾角是此种机械进行调平校准以及施工质量检测的重要参数。这时遇到关键的问题就是该倾斜角的测量，精确地测量出该角度是调平校准、检测的基础，这是调平、检测等过程控制中非常重要的一环。

在对装置或工作平台进行调平、检测的过程中，经常使用的是倾角传感器。倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”式三种倾角传感器，由于固体摆式倾角传感器有明确的摆长和摆心，以及此产品测量范围、精度及抗过载能力较高，因此目前在实际工程中应用最广泛的是固体摆式倾角传感器。固体摆式倾角传感器在实用中产品的类型较多，如电磁摆式。

倾角传感器的理论基础是牛顿第二定律，根据基本的物理原理它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，作用在它上面的只有重力加速度，重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。

但是当倾角传感器在曲臂惯性系统中测量其倾斜角度时，由于曲臂在做旋转运动，相应地有向心力的存在，传感器对水平倾角的测量产生了偏差。目前，市场上的固体摆式倾角传感器采用的测角原理忽略了这种情况下向心力的影响，使得测量出来的倾角值要与实际的倾角值不符，无法满足系统的测量精度的要求，对调平、检测等控制造成影响。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明提供了一种用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的方法和倾角传感器，本发明不仅可以精确测量曲臂处于静止状态时的倾角，而且可以精确测量曲臂做旋转运动时的倾角。

根据本发明的一个方面，提供一种用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的方法，包括：

通过设置在曲臂与主臂间的连接轴的倾角传感器，采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测；

根据所述外力F_测获取曲臂相对于水平面的倾斜角β。

优选的，在采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测的步骤之前，所述方法还包括：对所述倾角传感器进行调零。

优选的，根据所述外力F_测获取曲臂相对于水平面的倾斜角β的步骤，包括：利用公式β=arcsinX计算出曲臂相对于水平面的倾斜角β，其中X=F_测/mg，m为倾角传感器摆锤的质量，g为重力加速度。

优选的，采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测的步骤，包括：以预定时间间隔采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测。

优选的，所述倾角传感器采用固体摆式倾角传感器。

根据本发明的另一方面，提供一种用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的倾角传感器，所述倾角传感器设置在曲臂与主臂间的连接轴上，所述倾角传感器包括测力单元和倾角获取单元，其中：

测力单元，用于采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测；

倾角获取单元，根据所述外力F_测获取曲臂相对于水平面的倾斜角β。

优选的，所述倾角传感器还包括调零单元，其中：

调零单元，用于在测力单元采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测之前，对测力单元和倾角获取单元进行调零。

优选的，倾角获取单元用于利用公式β=arcsinX计算出曲臂相对于水平面的倾斜角β，其中X=F_测/mg，m为倾角传感器摆锤的质量，g为重力加速度。

优选的，测力单元用于以预定时间间隔采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测。

优选的，所述倾角传感器采用固体摆式倾角传感器。

本发明通过充分考虑了倾角传感器安装位置受向心力大小不同的影响，通过将倾角传感器安装在曲臂与主臂之间的连接轴位置，直接使R为0，直接消除了向心力的影响，更简便及节省成本；简化了倾角传感器在曲臂旋转运动情况下倾斜角度的计算过程，提高了测量精度；实现了曲臂在旋转运动状态和静止状态下倾斜角度的精确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的方法一个实施例的示意图。

图2为本发明倾角传感器的结构原理图。

图3为本发明一个实施例中倾角传感器的安装位置示意图。

图4为本发明另一实施例中倾角传感器的安装位置示意图。

图5为图4中倾角传感器安装位置的局部放大示意图。

图6为本发明用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的方法另一实施例的示意图。

图7为本发明用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的倾角传感器一个实施例的示意图。

图8为本发明用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的倾角传感器另一实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为本发明用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的方法一个实施例的示意图。优选的，本实施例可由用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的倾角传感器执行。该方法包括以下步骤：

步骤101，通过设置在曲臂与主臂间的连接轴的倾角传感器，采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测。

步骤102，根据所述外力F_测获取曲臂相对于水平面的倾斜角β。

优选的，所述倾角传感器可以选用如图2所示的固体摆式倾角传感器。所述固体摆式倾角传感器包括支架201，摆线202和摆锤203构成的，它实际上是基于惯性原理的一种加速度传感器。

当传感器处于静止状态时，它所受的力只有重力G和拉力T，加速度是由两个力的合力F_合产生的，并且此时F_测=F_合。

但是当传感器不是静止状态时，它所受的力除了重力G和拉力T之外，还存在向心力，此时F_测≠F_合，而是F_合=F_测+F_向心，此时倾角传感器测量的倾角就产生了误差。

由于曲臂惯性系统的特殊性，必须保证将其准确的倾角测量出来，以保证其它各项相关参数的准确性，因此对曲臂倾角准确的测量是必不可少的，为其它控制参数奠定基础。

本发明尝试将传感器安装在曲臂上，如图3所示，在诸如登高平台消防车的工程机械中，主臂301连接着曲臂302，曲臂302上安装着倾角传感器303。当曲臂302处于静止状态时，倾角传感器303中摆锤所受的合力F_合是由拉力T和重力G合成的，此时F_测=F_合=mgsinβ，β是倾角传感器测量出来曲臂302相对于水平面的角度，此时测量的倾角值是准确的，即β为曲臂倾斜角。

但是当曲臂302做逆时针旋转由位置A旋转到位置B时，曲臂302的旋转运动势必会造成其它相关角度的变化，在这种情况下向心力也会作用到倾角传感器303上，摆锤所受的力除了重力G、拉力T之外，还有向心力F_向心，此时F_合=F_测+F_向心，式中F_测=mgsinβ，β仍是倾角传感器测量出来的倾斜角，但实际的倾斜角α是由F_合产生的。由于向心力F_向心=mω²R也是合力的一部分，所以实际的倾角值α要比倾角传感器测量出来的β大，倾角传感器测量的倾角值发生了偏差。

由于固体摆式倾角传感器的测量原理是基于静止时的倾角传感器的受力情况，所以上式中F_测就是固体摆式倾角传感器在静止时测量出来的合力。由上述描述可以看出，曲臂在旋转运动时所受的合力F_合=F_测+F_向心较之静止状态时的受力情况加入了向心力的影响，从而增加了倾角计算的复杂度。

向心力为F_向心=mω²R，其中ω为的角速率，R为曲臂转动半径。根据固体摆式倾角传感器的原理，无论是静止状态还是运动状态，重力作用在传感器上都表现为F_测=mgsinβ，式中β为传感器测出的倾角值，g为重力加速度。传感器所受的合力就是由向心力和重力产生的。所以有下式：

为了简单有效的测量出倾角的数值，如图4和图5所示，本发明将倾角传感器安装在曲臂与主臂间的连接轴上。此时倾角传感器所受的合力F_合=F_测+F_向心，其中向心力F_向心=mω²R的值为0，因为倾角传感器的旋转半径R为0。由此上述计算可简化为：

从而有了公式（1）

F_合=F_测=mgsinβ   （1）

经过式（1）的推导可以计算出角度β的值为：

sinβ=F_测/mg   （2）

令F_测/mg=X则

β=arcsinX   （3）

公式（3）中，m为倾角传感器摆锤的质量，g为重力加速度，m、g均为定值。倾角传感器所测的角β的大小即是曲臂的倾斜角。由此本发明的倾角传感器通过测量F_测，然后利用公式（3）计算出曲臂相对于水平面的倾斜角β。

具体而言，如图5所示，所述倾角传感器可以安装在曲臂与主臂之间连接轴的部位。所述倾角传感器安装在运动曲臂轴顶端的部位，所述倾角传感器随着运动曲臂同步旋转；即所述倾角传感器安装在运动曲臂上，安装位置位于连接轴的顶端。

影响倾角传感器的测角精度的主要因素就是mω²R，将所述倾角传感器安装在轴的顶端，即可使得R等于0或者近似等于0，因此可以消除了测量误差。

优选的，步骤101中，采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测的步骤，可以包括：以预定时间间隔采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测。

优选的，所述外力F_测可以是曲臂在旋转状态或静止状态时倾角传感器摆锤所受到的外力。所述方法在曲臂在旋转状态或静止状态时，都可以通过倾角传感器测量F_测，然后利用公式（3）计算出曲臂相对于水平面的倾斜角β。

优选的，预定时间间隔可以根据曲臂在旋转状态或静止状态下而设置为不同的时间间隔。

基于本发明上述实施例提供的用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的方法，充分考虑了倾角传感器安装位置受向心力大小不同的影响，通过将倾角传感器安装在曲臂与主臂之间的连接轴位置，直接使R为0，直接消除了向心力的影响，更简便及节省成本；简化了倾角传感器在曲臂旋转运动情况下倾斜角度的计算过程，提高了测量精度；实现了曲臂在旋转运动状态和静止状态倾斜角度的精确测量。

图6为本发明用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的方法另一实施例的示意图。优选的，本实施例可由用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的倾角传感器执行。其中，所述倾角传感器设置在曲臂与主臂间的连接轴上，该方法包括以下步骤：

步骤601，对倾角传感器进行调零。

步骤602，通过设置在曲臂与主臂间的连接轴的倾角传感器，采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测。

步骤603，根据所述外力F_测获取曲臂相对于水平面的倾斜角β。

上述实施例的方法通过在倾角传感器安装于曲臂与主臂的连接轴位置后，对倾角传感器进行调零处理后再进行测量，从而进一步提高了曲臂倾斜角度的测量精度。

图7为本发明用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的倾角传感器一个实施例的示意图。所述倾角传感器设置在曲臂与主臂间的连接轴上，所述倾角传感器除了包括图2所述的支架201，摆线202和摆锤203外，还包括测力单元701和倾角获取单元702，其中：

测力单元701，用于采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测；

倾角获取单元702，根据所述外力F_测获取曲臂相对于水平面的倾斜角β。

优选的，所述倾角传感器可以采用固体摆式倾角传感器。

优选的，倾角获取单元具体用于利用公式β=arcsinX计算出曲臂相对于水平面的倾斜角β，其中X=F_测/m_g，m为倾角传感器摆锤的质量，g为重力加速度。

由于本发明将倾角传感器安装在曲臂与主臂间的连接轴上，此时倾角传感器所受的合力F_合=F_测+F_向心，其中因为倾角传感器的旋转半径R为0，向心力F_向心=mω²R的值为0，由此可得F_合=F_测=mgsinβ。

所以倾角获取单元可用于利用公式β=arcsinX计算出曲臂相对于水平面的倾斜角β。

优选的，所述倾角传感器可以安装在曲臂与主臂之间连接轴的部位。所述倾角传感器可以安装在运动曲臂轴顶端的部位，所述倾角传感器随着运动曲臂同步旋转；即所述倾角传感器可以安装在运动曲臂上，安装位置位于连接轴的顶端。

优选的，测力单元可以用于以预定时间间隔采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测。

优选的，所述外力F_测可以是曲臂在旋转状态或静止状态时倾角传感器摆锤所受到的外力。

优选的，所述测力单元701在曲臂在旋转状态或静止状态时，都可以通过倾角传感器测量F_测。

优选的，所述倾角获取单元702在曲臂在旋转状态或静止状态时，都可以利用公式（3）计算出曲臂相对于水平面的倾斜角β。

优选的，预定时间间隔可以根据曲臂在旋转状态或静止状态下而设置为不同的时间间隔。

基于本发明上述实施例提供的用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的倾角传感器，充分考虑了倾角传感器安装位置受向心力大小不同的影响，通过将倾角传感器安装在曲臂与主臂之间的连接轴位置，直接使R为0，直接消除了向心力的影响，更简便及节省成本；简化了倾角传感器在曲臂旋转运动情况下倾斜角度的计算过程，提高了测量精度；实现了曲臂在旋转运动状态和静止状态倾斜角度的精确测量。

图8为本发明用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的倾角传感器另一实施例的示意图。与图7所示实施例相比，在图8所示实施例中，所述倾角传感器还包括调零单元801，其中：

调零单元801，用于在测力单元采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测之前，对测力单元和倾角获取单元进行调零。

通过上述实施例的倾角传感器，在将倾角传感器安装于曲臂与主臂的连接轴位置后，先对倾角传感器进行调零处理后再进行测量，从而进一步提高了曲臂倾斜角度的测量精度。

通过实施本发明，可以得到如下有益效果：

1、本发明充分考虑了倾角传感器安装位置受向心力大小不同的影响，简化了倾角传感器在曲臂旋转运动情况下倾斜角度的计算过程，提高了测量精度。

2、本发明通过将倾角传感器安装在曲臂与主臂之间的连接轴位置，直接使R为0，直接消除了向心力的影响，测量更简便。

3、本发明不用添加仪器来测量角速率ω和曲臂转动半径R，从而节约了成本。

4、本发明实现了曲臂在旋转运动状态和静止状态时倾斜角度的精确测量。

5、本发明在将倾角传感器安装于曲臂与主臂的连接轴位置后，先对倾角传感器进行调零处理后再进行测量，从而进一步提高了曲臂倾斜角度的测量精度。

至此，已经详细描述了本发明用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的方法和倾角传感器。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的方法，其特征在于，包括：

通过设置在曲臂与主臂间的连接轴的倾角传感器，采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测；

根据所述外力F_测获取曲臂相对于水平面的倾斜角β。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测的步骤之前，还包括：

对所述倾角传感器进行调零。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述外力F_测获取曲臂相对于水平面的倾斜角β的步骤，包括：

利用公式β=arcsinX计算出曲臂相对于水平面的倾斜角β，其中X=F_测/mg，m为倾角传感器摆锤的质量，g为重力加速度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测的步骤，包括：

以预定时间间隔采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述倾角传感器采用固体摆式倾角传感器。

6.一种用于测量曲臂惯性系统中曲臂倾角的倾角传感器，其特征在于，所述倾角传感器设置在曲臂与主臂间的连接轴上，所述倾角传感器包括测力单元和倾角获取单元，其中：

测力单元，用于采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测；

倾角获取单元，根据所述外力F_测获取曲臂相对于水平面的倾斜角β。

7.根据权利要求6所述的倾角传感器，其特征在于，还包括调零单元，其中：

调零单元，用于在测力单元采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测之前，对测力单元和倾角获取单元进行调零。

8.根据权利要求6所述的倾角传感器，其特征在于，

倾角获取单元用于利用公式β=arcsinX计算出曲臂相对于水平面的倾斜角β，其中X=F_测/mg，m为倾角传感器摆锤的质量，g为重力加速度。

9.根据权利要求6所述的倾角传感器，其特征在于，

测力单元用于以预定时间间隔采集倾角传感器摆锤所受的外力F_测。

10.根据权利要求6所述的倾角传感器，其特征在于，所述倾角传感器采用固体摆式倾角传感器。

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