CN105258677A - 一种高精度倾角仪及智能温补系统 - Google Patents

一种高精度倾角仪及智能温补系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度倾角仪及智能温补系统,涉及倾角测量或倾角监测领域。该倾角仪包括倾角测量芯片和智能温补系统,当倾角测量芯片内部集成有温度测量器件时,智能温补系统包括微控制器、制热片、制冷片;当倾角测量芯片内部未集成有温度测量器件时,智能温补系统包括微控制器、制热片、制冷片、温度传感器,温度传感器置于倾角测量芯片的侧边。微控制器控制制热片、制冷片的启动/停止、功率的分级加载/卸载,获取温漂数组;在使用倾角仪时,微控制器自动完成温补。本发明能有效提高温补精度,减少温补工作量,提高工作效率。

Description

一种高精度倾角仪及智能温补系统
技术领域
本发明涉及倾角测量或倾角监测领域,具体是涉及一种高精度倾角仪及智能温补系统。
背景技术
随着科学技术的发展,世界已经逐步进入物联网时代。传感器是获取自然和工程领域中各种信息的主要途径与技术手段,其性能好坏直接关系到测量结果的准确性和真实性。倾角仪作为一种测量倾角的传感器,在机械、土木及各种工程中应用非常广泛。
倾角仪中的倾角测量芯片所使用材料有其特定的温度性质,因此倾角仪在正常工作时,会受到内部电路产生的热量和外部气温变化的影响,也会受到封装结构和材料的影响,直接反映为倾角测量数据的温度漂移,简称温漂。申请号为201220432150.6的中国实用新型专利《高精度带温补倾角模块》提出:将倾角传感器和温度传感器用隔热材料封闭起来,然后人为进行温补试验,以达到克服温漂的目的。
然而,若要人为对高灵敏度的倾角仪进行精确的温补,需要非常苛刻的试验环境:既要考虑升温,又要尽量避免产生温补环境微震或气流流动,温补工作量较大。
另外,为了避免倾角仪从启动到正常工作之前产生温漂,倾角仪从启动到正常工作之前需要预热一段时间,这占用了一定的工作时间,导致工作效率降低。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足,提供一种高精度倾角仪及智能温补系统,能够降低倾角仪正常工作时对温补环境的要求,提高温补精度并减少温补工作量,减少倾角仪从启动到正常工作之前的预热时间,有效提高工作效率。
本发明提供一种高精度倾角仪,该倾角仪包括倾角测量芯片和智能温补系统,当倾角测量芯片内部集成有温度测量器件时,所述智能温补系统包括微控制器、制热片、制冷片;当倾角测量芯片内部未集成有温度测量器件时,所述智能温补系统包括微控制器、制热片、制冷片、温度传感器,温度传感器置于倾角测量芯片的侧边;
微控制器控制制热片、制冷片的启动/停止、功率的分级加载/卸载,获取温漂数组:
微控制器预先设定倾角仪温补过程中的温补上限温度T上限、温补下限温度T下限;倾角仪固定在混凝土隔震试验台上;倾角仪正常工作一段时间至其内部温度和倾角读数稳定时,微控制器控制倾角仪将当前倾角读数自动置零;
微控制器启动制冷片,制冷片分级进行功率加载,每级加载至倾角仪内部达到热平衡,即倾角仪内部的温度和温漂数据在一定时间内均稳定,制冷片才进行下一级功率加载,直至倾角仪内部的温度降至T下限以下时,制冷片才停止加载功率,并开始分级进行功率卸载,同时微控制器开始以一定频率采集温度数据和温漂数据,自动保存在微控制器的存储器内,且每级卸载过程中采集的数据保存为一组,每级卸载至倾角仪内部达到热平衡,制冷片才进行下一级功率卸载,直至制冷片的功率卸载到零;
在倾角仪内部达到热平衡后,微控制器启动制热片,制热片分级进行功率加载,每级加载至倾角仪内部达到热平衡之后,制热片才进行下一级功率加载,在上述过程中微控制器继续采集温度数据和温漂数据,自动保存在微控制器的存储器内,且每级加载过程中采集的数据保存为一组,直至倾角仪内部的温度升到T上限时,制热片停止工作,同时微控制器停止记录温度数据和温漂数据;
微控制器对自动分组保存在微控制器内的数据进行处理:
微控制器从保存的多组数据中,提取每组中最后稳定的温度值和温漂值,作为该组的温漂数据,保存在温漂数组中,温漂数组中有若干列数据,n为温漂数组的总列数,m为温漂数组中列的序号,n、m均为正整数,且4≤m≤n;温漂数组中第m列的温度值为Tm,温漂数组中第m列的温漂值为Dm,温漂数组中第n列的温度值为Tn,温漂数组中第n列的温漂值为Dn
在使用倾角仪时,微控制器自动完成温补:
使用倾角仪测量倾角时,人工将倾角仪的读数置零,同时记录置零时的温度T0,T0为此次测量的零漂温度,T下限<T0<T上限
测量一段时间后,倾角仪的当前倾角读数为Ax,温度传感器记录倾角仪内部的当前温度为Tx,倾角仪在当前温度Tx下相对于零漂温度T0发生的温漂值为Dx-0,微控制器通过数据插值方法,结合温漂数组,计算出温漂值Dx-0
微控制器再根据以下公式计算真实倾角测量值Areal:Areal=Ax-Dx-0,向外输出真实倾角测量值Areal
在上述技术方案的基础上,所述微控制器计算温漂值Dx-0的公式为:
D x - 0 = D x - D 0 = [ D k - D k - 1 T k - T k - 1 ( T x - T k - 1 ) + D k - 1 ] - [ D j - D j - 1 T j - T j - 1 ( T x - T j - 1 ) + D j - 1 ] ;
其中,x、k、k-1、j、j-1均为温漂数组中列的序号,x、k、k-1、j、j-1均为正整数,温漂数组中第x列中的温度值为Tx,温漂数组中第x列中的温漂值为Dx;温漂数组中第k列中的温度值为Tk,温漂数组中第k列中的温漂值为Dk;温漂数组中第k-1列中的温度值为Tk-1,温漂数组中第k-1列中的温漂值为Dk-1;温漂数组中第j列中的温度值为Tj,温漂数组中第j列中的温漂值为Dj;温漂数组中第j-1列中的温度值为Tj-1,温漂数组中第j-1列中的为温漂值Dj-1
Tx对应的两个相邻数据列为(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk),这两个相邻数据列的线性插值点为Dx
当T下限<Tx<T上限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)的温度值满足条件:Tk-1≤Tx≤Tk;当Tx<T下限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)取最前两列数据;当Tx>T上限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)取最后两列数据;
零漂温度T0对应的温漂数组中两个相邻数据列为(Tj-1、Dj-1)和(Tj、Dj),这两个相邻数据列的线性插值点为D0,这两个相邻数据列中的温度值满足条件:Tj-1≤T0≤Tj
在上述技术方案的基础上,所述微控制器通过分段三次埃尔米特Hermite插值方法,结合温漂数组,计算出温漂值Dx-0
在上述技术方案的基础上,所述微控制器获取温漂数组的过程中,外部环境的温度在-10℃~35℃之间。
在上述技术方案的基础上,所述制冷片分5~20级进行功率加载或卸载。
在上述技术方案的基础上,所述制冷片分10级进行功率加载或卸载。
在上述技术方案的基础上,所述倾角仪内部达到热平衡是指:倾角仪内部的温度和温漂数据在1~2分钟内均稳定。
在上述技术方案的基础上,所述微控制器以0.2~1HZ的频率采集温度数据和温漂数据。
在上述技术方案的基础上,所述微控制器以0.4HZ的频率采集温度数据和温漂数据。
在上述技术方案的基础上,所述制热片分级进行功率加载或卸载时,制热片分级的数量与制冷片分级的数量相同。
本发明还提供一种高精度倾角仪的智能温补系统,该系统位于倾角仪内部,倾角仪还包括倾角测量芯片,当倾角测量芯片内部集成有温度测量器件时,所述智能温补系统包括微控制器、制热片、制冷片;当倾角测量芯片内部未集成有温度测量器件时,所述智能温补系统包括微控制器、制热片、制冷片、温度传感器,温度传感器置于倾角测量芯片的侧边;
微控制器控制制热片、制冷片的启动/停止、功率的分级加载/卸载,获取温漂数组:
微控制器预先设定倾角仪温补过程中的温补上限温度T上限、温补下限温度T下限;倾角仪固定在混凝土隔震试验台上;倾角仪正常工作一段时间至其内部温度和倾角读数稳定时,微控制器控制倾角仪将当前倾角读数自动置零;
微控制器启动制冷片,制冷片分级进行功率加载,每级加载至倾角仪内部达到热平衡,即倾角仪内部的温度和温漂数据在一定时间内均稳定,制冷片才进行下一级功率加载,直至倾角仪内部的温度降至T下限以下时,制冷片才停止加载功率,并开始分级进行功率卸载,同时微控制器开始以一定频率采集温度数据和温漂数据,自动保存在微控制器的存储器内,且每级卸载过程中采集的数据保存为一组,每级卸载至倾角仪内部达到热平衡,制冷片才进行下一级功率卸载,直至制冷片的功率卸载到零;
在倾角仪内部达到热平衡后,微控制器启动制热片,制热片分级进行功率加载,每级加载至倾角仪内部达到热平衡之后,制热片才进行下一级功率加载,在上述过程中微控制器继续采集温度数据和温漂数据,自动保存在微控制器的存储器内,且每级加载过程中采集的数据保存为一组,直至倾角仪内部的温度升到T上限时,制热片停止工作,同时微控制器停止记录温度数据和温漂数据;
微控制器对自动分组保存在微控制器内的数据进行处理:
微控制器从保存的多组数据中,提取每组中最后稳定的温度值和温漂值,作为该组的温漂数据,保存在温漂数组中,温漂数组中有若干列数据,n为温漂数组的总列数,m为温漂数组中列的序号,n、m均为正整数,且4≤m≤n;温漂数组中第m列的温度值为Tm,温漂数组中第m列的温漂值为Dm,温漂数组中第n列的温度值为Tn,温漂数组中第n列的温漂值为Dn
在使用倾角仪时,微控制器自动完成温补:
使用倾角仪测量倾角时,人工将倾角仪的读数置零,同时记录置零时的温度T0,T0为此次测量的零漂温度,T下限<T0<T上限
测量一段时间后,倾角仪的当前倾角读数为Ax,温度传感器记录倾角仪内部的当前温度为Tx,倾角仪在当前温度Tx下相对于零漂温度T0发生的温漂值为Dx-0,微控制器通过数据插值方法,结合温漂数组,计算出温漂值Dx-0
微控制器再根据以下公式计算真实倾角测量值Areal:Areal=Ax-Dx-0,向外输出真实倾角测量值Areal
在上述技术方案的基础上,所述微控制器计算温漂值Dx-0的公式为:
D x - 0 = D x - D 0 = [ D k - D k - 1 T k - T k - 1 ( T x - T k - 1 ) + D k - 1 ] - [ D j - D j - 1 T j - T j - 1 ( T x - T j - 1 ) + D j - 1 ] ;
其中,x、k、k-1、j、j-1均为温漂数组中列的序号,x、k、k-1、j、j-1均为正整数,温漂数组中第x列中的温度值为Tx,温漂数组中第x列中的温漂值为Dx;温漂数组中第k列中的温度值为Tk,温漂数组中第k列中的温漂值为Dk;温漂数组中第k-1列中的温度值为Tk-1,温漂数组中第k-1列中的温漂值为Dk-1;温漂数组中第j列中的温度值为Tj,温漂数组中第j列中的温漂值为Dj;温漂数组中第j-1列中的温度值为Tj-1,温漂数组中第j-1列中的为温漂值Dj-1
Tx对应的两个相邻数据列为(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk),这两个相邻数据列的线性插值点为Dx
当T下限<Tx<T上限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)的温度值满足条件:Tk-1≤Tx≤Tk;当Tx<T下限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)取最前两列数据;当Tx>T上限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)取最后两列数据;
零漂温度T0对应的温漂数组中两个相邻数据列为(Tj-1、Dj-1)和(Tj、Dj),这两个相邻数据列的线性插值点为D0,这两个相邻数据列中的温度值满足条件:Tj-1≤T0≤Tj
在上述技术方案的基础上,所述微控制器通过分段三次埃尔米特Hermite插值方法,结合温漂数组,计算出温漂值Dx-0
在上述技术方案的基础上,所述微控制器获取温漂数组的过程中,外部环境的温度在-10℃~35℃之间。
在上述技术方案的基础上,所述制冷片分5~20级进行功率加载或卸载。
在上述技术方案的基础上,所述制冷片分10级进行功率加载或卸载。
在上述技术方案的基础上,所述倾角仪内部达到热平衡是指:倾角仪内部的温度和温漂数据在1~2分钟内均稳定。
在上述技术方案的基础上,所述微控制器以0.2~1HZ的频率采集温度数据和温漂数据。
在上述技术方案的基础上,所述微控制器以0.4HZ的频率采集温度数据和温漂数据。
在上述技术方案的基础上,所述制热片分级进行功率加载或卸载时,制热片分级的数量与制冷片分级的数量相同。
与现有技术相比,本发明的优点如下:
(1)本发明在倾角仪内部增加制热片和制冷片,将倾角仪放置在混凝土隔震试验台上,通过倾角仪内部的微控制器,对制冷片、制热片的功率进行分级加载或分级卸载,每级加载或卸载达到倾角仪内部温度和温漂数据在一段时间内稳定,使倾角仪内部温度从温补下限温度T下限逐级升高,同时以一定的频率记录温度和温漂数据,倾角仪内部温度逐级上升,当上升到温补上限温度T上限时,停止制热片工作和数据记录。从每级加载或卸载记录的温度和温漂数据中,提取一组数值稳定的温度和温漂数据,存为温漂数组。测量倾角时,记录置零时温度为该次测量的零漂温度,当温度发生变化时,用当前测量值减去当前温度相对于零漂温度的相对温漂值,即得到真实倾角值,相对温漂值则利用温漂数组和插值方法得到。本发明中的方法具有良好的可行性和实用性,能够降低倾角仪正常工作时对温补环境的要求,使倾角仪在普通的隔震试验环境中,能够高精度地自动完成温漂数据的捕捉,并存储在倾角仪微控制器内部备用。在测量倾角时,利用温漂数组对测量的倾角进行温补修正,得到真实的倾角值,完成了高精度的仪器温补,能够有效提高温补精度,并减少温补工作量。
(2)采用本发明中的系统实现高精度温补时,能够缩短倾角仪从启动到正常工作之间的预热时间,倾角仪启动之后在较短时间内即可正常工作,能够有效提高工作效率,不影响测量结果。
附图说明
图1是本发明实施例中倾角仪的一种结构框图。
图2是本发明实施例中倾角仪的另一种结构框图。
图3是本发明实施例中倾角仪置于混凝土隔震试验台上的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明实施例提供一种高精度倾角仪,该倾角仪包括倾角测量芯片和智能温补系统(倾角测量芯片、智能温补系统均位于倾角仪内部)。
参见图1所示,当倾角测量芯片内部集成有温度测量器件时,智能温补系统包括微控制器、制热片、制冷片,制热片、制冷片的功率、规格视具体情况而定;参见图2所示,当倾角测量芯片内部未集成有温度测量器件时,智能温补系统包括微控制器、制热片、制冷片、温度传感器,温度传感器置于倾角测量芯片的侧边,制热片、制冷片的功率、规格视具体情况而定。
微控制器控制制热片、制冷片的启动/停止、功率的分级加载/卸载,获取温漂数组:
微控制器预先设定倾角仪温补过程中的温补上限温度T上限、温补下限温度T下限。参见图3所示,倾角仪固定在混凝土隔震试验台上,微控制器获取温漂数组的过程中,外部环境的温度在-10℃~35℃之间,允许环境温度有较小变动;倾角仪正常工作一段时间至其内部温度和倾角读数稳定时,微控制器控制倾角仪将当前倾角读数自动置零。
微控制器启动制冷片,制冷片分级进行功率加载,可以分5~20级,优选为10级,每级加载至倾角仪内部达到热平衡,即倾角仪内部的温度和温漂数据在一定时间内(1~2分钟)均稳定,制冷片才进行下一级功率加载,直至倾角仪内部的温度降至T下限以下时,制冷片才停止加载功率,并开始分级进行功率卸载,同时微控制器开始以一定频率采集温度数据和温漂数据,频率可以为0.2~1HZ,优选为0.4HZ,自动保存在微控制器的存储器内,且每级卸载过程中采集的数据保存为一组,每级卸载至倾角仪内部达到热平衡,制冷片才进行下一级功率卸载,直至制冷片的功率卸载到零。
在倾角仪内部达到热平衡后,微控制器启动制热片,制热片分级进行功率加载,制热片分级的数量最好与制冷片分级的数量相同,分为5~20级,优选为10级,每级加载至倾角仪内部达到热平衡之后,制热片才进行下一级功率加载,在上述过程中微控制器继续采集温度数据和温漂数据,自动保存在微控制器的存储器内,且每级加载过程中采集的数据保存为一组,直至倾角仪内部的温度升到T上限时,制热片停止工作,同时微控制器停止记录温度数据和温漂数据。
微控制器对自动分组保存在微控制器内的数据进行处理:
微控制器从保存的多组数据中,提取每组中最后稳定的温度值和温漂值,作为该组的温漂数据,保存在温漂数组中,参见表1所示,温漂数组中有若干列数据,n为温漂数组的总列数,m为温漂数组中列的序号,n、m均为正整数,且4≤m≤n;温漂数组中第m列的温度值为Tm,温漂数组中第m列的温漂值为Dm,温漂数组中第n列的温度值为Tn,温漂数组中第n列的温漂值为Dn;温漂值的单位是角度单位″(秒),1″=(1/3600)°,1°=3600″。
表1、温漂数组的数据
列序号 1 2 3 4 m n
温度T/℃ T1 T2 T3 T4 Tm Tn
温漂D/″ D1 D2 D3 D4 Dm Dn
在使用倾角仪时,微控制器自动完成温补:
使用倾角仪实际测量倾角时,为了方便读数,人工将倾角仪的读数置零,同时记录置零时的温度T0(如重新置零,则用重新置零时的温度覆盖上次置零时的温度),T0为此次测量的零漂温度,T下限<T0<T上限。随着外界环境(气温、光照)的变化,倾角仪内部温度发生变化而产生温漂。
测量一段时间后,倾角仪的当前倾角读数为Ax,温度传感器记录倾角仪内部的当前温度为Tx,倾角仪在当前温度Tx下相对于零漂温度T0发生的温漂值为Dx-0,微控制器通过数据插值方法结合温漂数组计算出温漂值Dx-0
微控制器计算温漂值Dx-0的具体公式为:
D x - 0 = D x - D 0 = [ D k - D k - 1 T k - T k - 1 ( T x - T k - 1 ) + D k - 1 ] - [ D j - D j - 1 T j - T j - 1 ( T x - T j - 1 ) + D j - 1 ] ;
其中,x、k、k-1、j、j-1均为温漂数组中列的序号,x、k、k-1、j、j-1均为正整数,温漂数组中第x列中的温度值为Tx,温漂数组中第x列中的温漂值为Dx;温漂数组中第k列中的温度值为Tk,温漂数组中第k列中的温漂值为Dk;温漂数组中第k-1列中的温度值为Tk-1,温漂数组中第k-1列中的温漂值为Dk-1;温漂数组中第j列中的温度值为Tj,温漂数组中第j列中的温漂值为Dj;温漂数组中第j-1列中的温度值为Tj-1,温漂数组中第j-1列中的为温漂值Dj-1
Tx对应的两个相邻数据列为(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk),这两个相邻数据列的线性插值点为Dx
当T下限<Tx<T上限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)的温度值满足条件:Tk-1≤Tx≤Tk;当Tx<T下限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)取最前两列数据;当Tx>T上限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)取最后两列数据。
零漂温度T0对应的温漂数组中两个相邻数据列为(Tj-1、Dj-1)和(Tj、Dj),这两个相邻数据列的线性插值点为D0,且这两个相邻数据列中的温度值满足条件:Tj-1≤T0≤Tj
一般情况下,上述数据插值方法采用基本的线性插值方法;若温补试验环境较好,温补精度要求更高时,数据插值方法可以选用分段三次Hermite(埃尔米特)插值方法。
微控制器再根据以下公式计算真实倾角测量值Areal:Areal=Ax-Dx-0,向外输出真实倾角测量值Areal
下面通过一个具体的实施例进行详细说明。
本发明实施例提供一种高精度倾角仪,该倾角仪包括倾角测量芯片和智能温补系统(倾角测量芯片、智能温补系统均位于倾角仪内部)。
参见图2所示,当倾角测量芯片内部未集成有温度测量器件时,智能温补系统包括微控制器、制热片、制冷片、温度传感器,温度传感器置于倾角测量芯片的侧边,制热片、制冷片的功率、规格视具体情况而定。本实施例中的倾角仪测量分辨率达到1″,精度5″,量程±15°,属于高精度倾角仪。
微控制器控制制热片、制冷片的启动/停止、功率的分级加载/卸载,获取温漂数组:
考虑到电子仪器一般可以在-20℃~80℃之间工作,微控制器预先设定倾角仪温补过程的温补上限温度T上限为70℃,温补下限温度T 为-15℃。参见图3所示,倾角仪固定在混凝土隔震试验台上。微控制器获取温漂数组的过程中,外部环境的温度在-10℃~35℃之间。倾角仪正常工作一段时间其内部温度和倾角读数稳定时,微控制器控制倾角仪将当前倾角读数自动置零。
微控制器启动制冷片,制冷片分10级进行功率加载,每级加载至倾角仪内部达到热平衡,即倾角仪内部的温度和温漂数据在一段时间(1分钟)内均稳定,制冷片才进行下一级功率加载,直至倾角仪内部的温度降至-15℃以下时,制冷片才停止加载功率,并开始分级进行功率卸载,同时微控制器开始以0.4HZ的频率采集温度数据和温漂数据,自动保存在微控制器的存储器内,且每级卸载过程中采集的数据保存为一组,每级卸载至倾角仪内部达到热平衡,制冷片才进行下一级功率卸载,直至制冷片的功率卸载到零;
在倾角仪内部达到热平衡后,微控制器启动制热片,制热片也分10级进行功率加载,每级加载至倾角仪内部达到热平衡之后,制热片才进行下一级功率加载,在上述过程中微控制器继续采集温度数据和温漂数据,自动保存在微控制器的存储器内,且每级加载过程中采集的数据保存为一组,直至倾角仪内部的温度超过70℃时,制热片停止工作,同时微控制器停止记录温度值和温漂值。
微控制器对自动分组保存在微控制器内的数据进行处理:
微控制器筛从保存的多组数据中,提取每组中最后稳定的温度值和温漂值,作为该组的温漂数据,保存在温漂数组中,参见表2所示。
表2、温漂数组实例
数组序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
温度T/℃ -14.5 -6.3 2.0 10.2 18.3 26.6 34.9 43.3 51.4 59.7 67.8
温漂D/″ -306 -180 -75 15 102 201 318 444 579 735 912
在使用倾角仪时,微控制器自动完成温补:
使用倾角仪测量倾角时,人工将倾角仪的读数置零,同时记录置零时的温度T0,T0为此次测量的零漂温度,T下限<T0<T上限
测量一段时间后,倾角仪的当前倾角读数为Ax,温度传感器记录倾角仪内部的当前温度为Tx,倾角仪在当前温度Tx下相对于零漂温度T0发生的温漂值为Dx-0,微控制器通过数据插值方法,结合温漂数组,计算出温漂值Dx-0
微控制器再根据以下公式计算真实倾角测量值Areal:Areal=Ax-Dx-0,向外输出真实倾角测量值Areal
针对实际使用情况进行测试,温补效果如下:
使用倾角仪实际测量倾角时,倾角仪在启动2分钟(验证了不需较长的预热时间)之后,人工将倾角读数置零,紧接着倾角仪转动一小角度(1800″~3600″)后静止,此时测量值为2391″(1°=3600″),并记录下此时的温度值21.2℃。然后使用日光灯(50~100瓦)照射倾角仪,以模拟真实使用环境,倾角仪内部温度会升高,从25℃开始,每隔8℃记录一次倾角读数,当温度测量值升高到49°时,关掉日光灯,倾角仪自然冷却,直至倾角仪内部温度在一段时间内(2分钟)稳定,记录稳定温度时的倾角读数。
表3、温补效果的测试数据
顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 9
温度T/℃ 21.2 25 33 41 49 41 33 25 23.8
倾角读数A/″ 2391 2385 2389 2396 2397 2392 2387 2386 2389
温漂D1/″ 0 -6 -2 5 6 1 -4 -5 -2
具体测试结果参见表3所示,可表3可知:温漂问题得到了良好的控制。
本发明中的系统容易实施,使倾角仪在普通的隔震试验环境中,能够高精度地自动完成温漂数据的捕捉,并存储在倾角仪微控制器内部备用。在测量倾角时,利用温漂数组对测量的倾角进行温补修正,得到真实的倾角值,完成了高精度的仪器温补;本发明中的系统进行的高精度温补时,能够有效缩短倾角仪预热时间,启动之后较短时间内即可正常工作,并且不会影响测量结果。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型,倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (20)

1.一种高精度倾角仪,该倾角仪包括倾角测量芯片,其特征在于:该倾角仪还包括智能温补系统,当倾角测量芯片内部集成有温度测量器件时,所述智能温补系统包括微控制器、制热片、制冷片;当倾角测量芯片内部未集成有温度测量器件时,所述智能温补系统包括微控制器、制热片、制冷片、温度传感器,温度传感器置于倾角测量芯片的侧边;
微控制器控制制热片、制冷片的启动/停止、功率的分级加载/卸载,获取温漂数组:
微控制器预先设定倾角仪温补过程中的温补上限温度T上限、温补下限温度T下限;倾角仪固定在混凝土隔震试验台上;倾角仪正常工作一段时间至其内部温度和倾角读数稳定时,微控制器控制倾角仪将当前倾角读数自动置零;
微控制器启动制冷片,制冷片分级进行功率加载,每级加载至倾角仪内部达到热平衡,即倾角仪内部的温度和温漂数据在一定时间内均稳定,制冷片才进行下一级功率加载,直至倾角仪内部的温度降至T下限以下时,制冷片才停止加载功率,并开始分级进行功率卸载,同时微控制器开始以一定频率采集温度数据和温漂数据,自动保存在微控制器的存储器内,且每级卸载过程中采集的数据保存为一组,每级卸载至倾角仪内部达到热平衡,制冷片才进行下一级功率卸载,直至制冷片的功率卸载到零;
在倾角仪内部达到热平衡后,微控制器启动制热片,制热片分级进行功率加载,每级加载至倾角仪内部达到热平衡之后,制热片才进行下一级功率加载,在上述过程中微控制器继续采集温度数据和温漂数据,自动保存在微控制器的存储器内,且每级加载过程中采集的数据保存为一组,直至倾角仪内部的温度升到T上限时,制热片停止工作,同时微控制器停止记录温度数据和温漂数据;
微控制器对自动分组保存在微控制器内的数据进行处理:
微控制器从保存的多组数据中,提取每组中最后稳定的温度值和温漂值,作为该组的温漂数据,保存在温漂数组中,温漂数组中有若干列数据,n为温漂数组的总列数,m为温漂数组中列的序号,n、m均为正整数,且4≤m≤n;温漂数组中第m列的温度值为Tm,温漂数组中第m列的温漂值为Dm,温漂数组中第n列的温度值为Tn,温漂数组中第n列的温漂值为Dn
在使用倾角仪时,微控制器自动完成温补:
使用倾角仪测量倾角时,人工将倾角仪的读数置零,同时记录置零时的温度T0,T0为此次测量的零漂温度,T下限<T0<T上限
测量一段时间后,倾角仪的当前倾角读数为Ax,温度传感器记录倾角仪内部的当前温度为Tx,倾角仪在当前温度Tx下相对于零漂温度T0发生的温漂值为Dx-0,微控制器通过数据插值方法,结合温漂数组,计算出温漂值Dx-0
微控制器再根据以下公式计算真实倾角测量值Areal:Areal=Ax-Dx-0,向外输出真实倾角测量值Areal
2.如权利要求1所述的高精度倾角仪,其特征在于:所述微控制器计算温漂值Dx-0的公式为:
D x - 0 = D x - D 0 = [ D k - D k - 1 T k - T k - 1 ( T x - T k - 1 ) + D k - 1 ] - [ D j - D j - 1 T j - T j - 1 ( T x - T j - 1 ) + D j - 1 ] ;
其中,x、k、k-1、j、j-1均为温漂数组中列的序号,x、k、k-1、j、j-1均为正整数,温漂数组中第x列中的温度值为Tx,温漂数组中第x列中的温漂值为Dx;温漂数组中第k列中的温度值为Tk,温漂数组中第k列中的温漂值为Dk;温漂数组中第k-1列中的温度值为Tk-1,温漂数组中第k-1列中的温漂值为Dk-1;温漂数组中第j列中的温度值为Tj,温漂数组中第j列中的温漂值为Dj;温漂数组中第j-1列中的温度值为Tj-1,温漂数组中第j-1列中的为温漂值Dj-1
Tx对应的两个相邻数据列为(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk),这两个相邻数据列的线性插值点为Dx
当T下限<Tx<T上限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)的温度值满足条件:Tk-1≤Tx≤Tk;当Tx<T下限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)取最前两列数据;当Tx>T上限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)取最后两列数据;
零漂温度T0对应的温漂数组中两个相邻数据列为(Tj-1、Dj-1)和(Tj、Dj),这两个相邻数据列的线性插值点为D0,这两个相邻数据列中的温度值满足条件:Tj-1≤T0≤Tj
3.如权利要求1所述的高精度倾角仪,其特征在于:所述微控制器通过分段三次埃尔米特Hermite插值方法,结合温漂数组,计算出温漂值Dx-0
4.如权利要求1所述的高精度倾角仪,其特征在于:所述微控制器获取温漂数组的过程中,外部环境的温度在-10℃~35℃之间。
5.如权利要求1所述的高精度倾角仪,其特征在于:所述制冷片分5~20级进行功率加载或卸载。
6.如权利要求5所述的高精度倾角仪,其特征在于:所述制冷片分10级进行功率加载或卸载。
7.如权利要求1所述的高精度倾角仪,其特征在于:所述倾角仪内部达到热平衡是指:倾角仪内部的温度和温漂数据在1~2分钟内均稳定。
8.如权利要求1所述的高精度倾角仪,其特征在于:所述微控制器以0.2~1HZ的频率采集温度数据和温漂数据。
9.如权利要求8所述的高精度倾角仪,其特征在于:所述微控制器以0.4HZ的频率采集温度数据和温漂数据。
10.如权利要求1所述的高精度倾角仪,其特征在于:所述制热片分级进行功率加载或卸载时,制热片分级的数量与制冷片分级的数量相同。
11.一种高精度倾角仪的智能温补系统,该系统位于倾角仪内部,倾角仪还包括倾角测量芯片,其特征在于:当倾角测量芯片内部集成有温度测量器件时,所述智能温补系统包括微控制器、制热片、制冷片;当倾角测量芯片内部未集成有温度测量器件时,所述智能温补系统包括微控制器、制热片、制冷片、温度传感器,温度传感器置于倾角测量芯片的侧边;
微控制器控制制热片、制冷片的启动/停止、功率的分级加载/卸载,获取温漂数组:
微控制器预先设定倾角仪温补过程中的温补上限温度T上限、温补下限温度T下限;倾角仪固定在混凝土隔震试验台上;倾角仪正常工作一段时间至其内部温度和倾角读数稳定时,微控制器控制倾角仪将当前倾角读数自动置零;
微控制器启动制冷片,制冷片分级进行功率加载,每级加载至倾角仪内部达到热平衡,即倾角仪内部的温度和温漂数据在一定时间内均稳定,制冷片才进行下一级功率加载,直至倾角仪内部的温度降至T下限以下时,制冷片才停止加载功率,并开始分级进行功率卸载,同时微控制器开始以一定频率采集温度数据和温漂数据,自动保存在微控制器的存储器内,且每级卸载过程中采集的数据保存为一组,每级卸载至倾角仪内部达到热平衡,制冷片才进行下一级功率卸载,直至制冷片的功率卸载到零;
在倾角仪内部达到热平衡后,微控制器启动制热片,制热片分级进行功率加载,每级加载至倾角仪内部达到热平衡之后,制热片才进行下一级功率加载,在上述过程中微控制器继续采集温度数据和温漂数据,自动保存在微控制器的存储器内,且每级加载过程中采集的数据保存为一组,直至倾角仪内部的温度升到T上限时,制热片停止工作,同时微控制器停止记录温度数据和温漂数据;
微控制器对自动分组保存在微控制器内的数据进行处理:
微控制器从保存的多组数据中,提取每组中最后稳定的温度值和温漂值,作为该组的温漂数据,保存在温漂数组中,温漂数组中有若干列数据,n为温漂数组的总列数,m为温漂数组中列的序号,n、m均为正整数,且4≤m≤n;温漂数组中第m列的温度值为Tm,温漂数组中第m列的温漂值为Dm,温漂数组中第n列的温度值为Tn,温漂数组中第n列的温漂值为Dn
在使用倾角仪时,微控制器自动完成温补:
使用倾角仪测量倾角时,人工将倾角仪的读数置零,同时记录置零时的温度T0,T0为此次测量的零漂温度,T下限<T0<T上限
测量一段时间后,倾角仪的当前倾角读数为Ax,温度传感器记录倾角仪内部的当前温度为Tx,倾角仪在当前温度Tx下相对于零漂温度T0发生的温漂值为Dx-0,微控制器通过数据插值方法,结合温漂数组,计算出温漂值Dx-0
微控制器再根据以下公式计算真实倾角测量值Areal:Areal=Ax-Dx-0,向外输出真实倾角测量值Areal
12.如权利要求11所述的高精度倾角仪的智能温补系统,其特征在于:所述微控制器计算温漂值Dx-0的公式为:
D x - 0 = D x - D 0 = [ D k - D k - 1 T k - T k - 1 ( T x - T k - 1 ) + D k - 1 ] - [ D j - D j - 1 T j - T j - 1 ( T x - T j - 1 ) + D j - 1 ] ;
其中,x、k、k-1、j、j-1均为温漂数组中列的序号,x、k、k-1、j、j-1均为正整数,温漂数组中第x列中的温度值为Tx,温漂数组中第x列中的温漂值为Dx;温漂数组中第k列中的温度值为Tk,温漂数组中第k列中的温漂值为Dk;温漂数组中第k-1列中的温度值为Tk-1,温漂数组中第k-1列中的温漂值为Dk-1;温漂数组中第j列中的温度值为Tj,温漂数组中第j列中的温漂值为Dj;温漂数组中第j-1列中的温度值为Tj-1,温漂数组中第j-1列中的为温漂值Dj-1
Tx对应的两个相邻数据列为(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk),这两个相邻数据列的线性插值点为Dx
当T下限<Tx<T上限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)的温度值满足条件:Tk-1≤Tx≤Tk;当Tx<T下限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)取最前两列数据;当Tx>T上限时,两个相邻数据列(Tk-1、Dk-1)和(Tk、Dk)取最后两列数据;
零漂温度T0对应的温漂数组中两个相邻数据列为(Tj-1、Dj-1)和(Tj、Dj),这两个相邻数据列的线性插值点为D0,这两个相邻数据列中的温度值满足条件:Tj-1≤T0≤Tj
13.如权利要求11所述的高精度倾角仪的智能温补系统,其特征在于:所述微控制器通过分段三次埃尔米特Hermite插值方法,结合温漂数组,计算出温漂值Dx-0
14.如权利要求11所述的高精度倾角仪的智能温补系统,其特征在于:所述微控制器获取温漂数组的过程中,外部环境的温度在-10℃~35℃之间。
15.如权利要求11所述的高精度倾角仪的智能温补系统,其特征在于:所述制冷片分5~20级进行功率加载或卸载。
16.如权利要求15所述的高精度倾角仪的智能温补系统,其特征在于:所述制冷片分10级进行功率加载或卸载。
17.如权利要求11所述的高精度倾角仪的智能温补系统,其特征在于:所述倾角仪内部达到热平衡是指:倾角仪内部的温度和温漂数据在1~2分钟内均稳定。
18.如权利要求11所述的高精度倾角仪的智能温补系统,其特征在于:所述微控制器以0.2~1HZ的频率采集温度数据和温漂数据。
19.如权利要求18所述的高精度倾角仪的智能温补系统,其特征在于:所述微控制器以0.4HZ的频率采集温度数据和温漂数据。
20.如权利要求11所述的高精度倾角仪的智能温补系统,其特征在于:所述制热片分级进行功率加载或卸载时,制热片分级的数量与制冷片分级的数量相同。
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