CN105300353B - 基于过采样技术的高精度倾角测量仪 - Google Patents

Abstract

基于过采样技术的高精度倾角测量仪，采用微加速度计FXLN8361为测量元件，高性能低功耗单片机MSP430F5529作为控制器，利用双轴测量法对被侧面的倾斜进行检测，实现了倾角灵敏度的恒定。通过过采样算法，能够将测量的最小角度从0.8°提高至0.05°。

Description

基于过采样技术的高精度倾角测量仪

技术领域

本发明涉及一种倾角测量仪，具体说的是基于过采样技术的高精度倾角测量仪。

背景技术

倾角测量仪是测量水平面倾斜角的装置，在天文仪器、房屋建筑、地质测量、航空航天、医学、船舶、精密自动化设备、机器人、铁路桥梁等工程技术领域有着广泛的应用。目前已有的倾角测量仪主要可以分为机械式、光学式和电子式。

大多数行业测量角度时依然沿用传统的水泡式水平仪。其检测方法是通过水泡的位置结合操作经验来判断是否水平。液体中的气泡具有很强的不稳定性，易受扰动，对水平度的判断只能大致估算，且不能指示出具体的倾斜度，无法进行量化处理，故应用范围十分有限。光学倾角仪主要以光学象限仪为主，利用光学刻度盘中的读数来计算角度的大小，但光学象限仪精度低、机构复杂，防震性能差、不易维护，已不能满足数字化高精度测量的要求。电子式倾角测量仪能够利用倾角传感器将水平面的倾斜度转化为具体的数字信号或模拟信号送给专用的处理器进行运算。一般的电子式倾角测量仪大多采用悬挂的微型自由摆锤结构，测量时摆锤受重力影响指向地心，当倾角测量仪和水平面有倾角时，摆锤和水平面就会有夹角，造成和摆锤相连的感应线圈的电压或极板间电容值发生改变，通过运算电路得出相应的倾角值。这类倾角测量仪抗震性能差、体积较大且价格较高。因此，设计精度高、便携性好、稳定性强的电子水平仪意义重大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于过采样技术的高精度倾角测量仪，采用微加速度计FXLN8361为测量元件，高性能低功耗单片机MSP430F5529作为控制器，利用双轴测量法对被侧面的倾斜进行检测，实现了倾角灵敏度的恒定。通过过采样算法，能够将测量的最小角度从0.8°提高至0.05°。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：基于过采样技术的高精度倾角测量仪，其特征在于：包括FXLN8361微加速度计和MSP430F5529控制器，FXLN8361微加速度计通过调理电路将采集信号送入MSP430F5529控制器进行转换，MSP430F5529控制器采用过采样算法以及双轴倾角计算将采集信号的转换结果传输给显示单元进行显示，使测量的最小角度达到0.05°。

本发明所述的调理电路采用AD623放大器构成。

本发明有益效果是：采用微加速度计FXLN8361为测量元件，使用高性能低功耗单片机MSP430F5529作为控制器。利用双轴测量法对被侧面的倾斜进行检测，实现了倾角灵敏度的恒定。通过过采样算法，能够将测量的最小角度从0.8°提高至0.05°。对测量仪进行校准后，通过实验得出最小可测量的角度和理论分析的基本吻合。测量对比实验结果经过线性拟合分析后，得出曲线斜率的标准差为：5.2993×10^-5，截距标准差为0.00277。线性误差小于0.00525％。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的双轴测量原理图；

图3为本发明的四象限测量示意图；

图4为本发明的FXLN8361电路图；

图5为本发明的调理电路图；

图6为本发明的分辨力实验图；

图7为本发明的测量结果对比图。

具体实施方式

1水平仪组成

水平仪的核心器件是能够检测重力随倾角变化的传感器。本测量仪采用飞思卡尔公司最新的差动电容式三轴加速度传感器FXLN8361，采用模拟量输出。由于传感器输出的信号不可避免的具有噪声，并且电平的变化范围也不在单片机处理的理想范围内。所以在传感器和单片机之间加入了集成运算放大器对信号进行处理。使用TI公司的高性能单片机MSP430F5529做为控制核心，该单片机内部的RAM达到了10KB，能够满足数据缓存的需要。程序存储空间FLASH达到128KB，使得单片机内部空间能够满足运算程序的存储。内部具有多路时钟选择寄存器BCM(Basic ClockModule)，可以根据程序运算的需要，为不同的模块分配不同的时钟频率，降低功耗提高运算效率。同时该单片机内部的具有12位的ADC，采用过采样技术进一步提高分辨率后，可以实现高精度的倾角检测。测量仪的系统框图如图1所示。

2倾角测量方法分析

2.1单轴倾角计算

采用单轴测量，测量轴加速度的输出和倾角的变化有如下关系：

其中，A_X为测量轴的加速度值，倾角θ的单位为弧度。根据已有的测量方法和经验，在倾角很小的时候，这种测量关系具有很好的灵敏度。当测量轴和水平面的夹角增加时，灵敏度会降低。这种线性关系的误差就会增加，当倾角接近90度时，倾角的变化几乎不会影响测量结果的变化，使测量无法进行。从而产生的限制是需要高分辨率的ADC芯片来实现大范围的有效倾角测量，现有的ADC芯片难以达到要求。因此测量角度的关键问题是解决灵敏度随倾角增加而逐渐下降的问题。

2.2双轴倾角计算

本文采用增加一个和原有测量轴垂直的测量轴的办法来解决这个问题。其测量原理如图2所示。

使用双轴测量会使得测量仪具备恒定的灵敏度。由于双轴垂直关系，X轴检测的加速度和夹角的正弦成正比，Y轴检测的加速度和对应夹角的余弦成正比。由于测量轴的倾角接近于0度时的灵敏度最高，所以双轴垂直测量时总有一个轴的加速度变化率被最先识别。当倾角增加时，一个轴的灵敏度下降必然伴随着另一个轴灵敏度的增加。其结果是灵敏度的数值基本保持恒定。

因此，可以将测量方法改为：计算X轴的反正弦函数和Y轴的反余弦函数，计算二者的比值，可得：

θ单位为弧度。

使用双轴测量能够使水平仪区分各个像限并在整个360度范围内测量角度，如图3所示。

每个像限都具有和X轴和Y轴的加速度符号相关的组合。可以通过加速度计采集的数据大小来判断某一倾角时加速度计所处的像限。

3过采样算法

由于采用了双轴倾斜测量法，传感器在测量范围内的灵敏度是恒定的，因此倾角测量时的分辨率就由ADC芯片的分辨率来决定。测量仪采用了12位的片内ADC，配合过采样算法可以在不增加硬件的基础上大大提高分辨率。

过采样技术是采用高于Nyquist奈奎斯特采样频率的ADC采样速率对模拟信号进行采样。根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须高于被采样频率的2倍以上才能够可靠的复现被采样信号。采样信号的奈奎斯特频率f_n定义为：

f_n＝2f_m (4)

f_m为被采样信号最高频率，当采样频率f_s高于f_n时，称为过采样，用过采样率来表示：

一般情况下会有小于f_s/2的干扰成分混叠在测量频带内，用带内噪声能量密度谱(ESD)表示为：

E(f)＝e_rms(2/f_s)^1/2 (6)

E(f)是带内ESD，e_rms是噪声平均功率。已知ADC采样带入的噪声是均值为零的白噪声，用方差来衡量噪声平均功率为：

式中：N是ADC的位数，v_ref是ADC的参考电压。采用过采样时，噪声部分和信号的重叠部分减少，可采用低通滤波器滤除更多的噪声，经过求均值的低通滤波之后，带内的噪声功率为：

公式(6)说明提到OSR可以降低带内噪声功率，在不减小信号功率的前提下，带内的噪声功率降低，从而提高了信噪比SNR，等价于提高了ADC的分辨率。从(6)(7)(8)得出噪声功率n和过采样率以及分辨率的公式为：

解出N的表达式：

利用差分计算方法，从公式(10)可以看出采样频率每增加1倍，带内噪声减小3分贝分，辨率将增加1/2位。当采样频率增加4倍时，测量的分辨率将增加1位，即：

f_os＝4^Nf_s (11)

根据倾角的测量原理，单片机内部ADC的分辨率只有12位，可以把1g的重力加速度进行4096等分，当任一轴测量到1/4096g的变化时可得相应弧度的变化为0.014弧度，转换成角度为0.8度。如果用过采样算法增加4位分辨率，则可测量的最小角度变化为0.05度，水平仪的分辨率提高了16倍。

4传感器硬件电路设计

FXLN8361是飞思卡尔公司新推出的基于MEMS技术的差动电容式三轴高性能微加速度计，芯片由1.71V～3.76V直流电压供电，±2g或者±8g量程可选。内部集成了电容到电压的转换电路，运算放大器，输出跟随器等单元。整体芯片采用了3×3×1mmQFN封装。传感器电路原理图见图4。

5调理电路

传感器输出的模拟电压要经过调理后才能进入单片机的ADC进行处理。调理电路主要功能是将传感器输出的微弱信号进行放大满足ADC要求。FXLN8361静态0g时的输出电压为0.75V，1g时输出电压为0.979V，-1g时输出电压为0.535V。水平仪侧倾斜时的重力加速度在±1g范围内变化。因此，传感器的输出变化范围是0.535V～0.979V。设计中采用AD623仪用放大器构成调理电路，如图5所示。

传感器输出的信号V_in进入AD623之后，为了使单片机ADC的参考电压1.5V匹配，经过内部的差分运算电路减掉2脚的0.75V的0g偏置电压后再放大。电阻R1的作用是调节放大倍数。将放大后的信号再经过平移，加上5脚的参考电压，最后的输出计算公式为：

V_out＝(V_+IN-V_-IN)G+V_REF (12)

其中放大倍数±1g变化时的输出电压0.22V放大3倍，使得满量程输出接近1.5V，提高测量准确性。

6单片机寄存器设置

6.1定时器模块设置

定时器的作用是精确的控制采样间隔，在中断内部启动ADC。定时器定时的长短是通过计数器的计数溢出来实现的，测量系统采用向上计数，产生溢出中断的方法。溢出后计数器TA1CCR0自动清零，采用SMCLK做为计数脉冲源，相应的16位寄存器设置为：TA1CTL＝0x0216。

采样间隔也就是中断的频率由过采样算法分析后，设定为25.6KHz，系统时钟为25MHz，计数器上限的计算公式为：

得出TA1CCR0寄存器的值为97。

6.2ADC模块设置

由于ADC的开始是通过定时器中断来控制的，所以ADC只在中断内部进行一次。ADC模块设置为：采用内部1.5V参考电源，主时钟16分频作为ADC时钟，使用通道0作为ADC通道，单通道单次采样。

7实验与数据分析

7.1水平仪校准

水平仪在进行实验前要进行零点的确定。由于测量电路和传感器的配合不是理想的，零点的输出时刻存在漂移，所以必然存在失调误差A_off。采用了调头法对失调误差进行了处理。在双轴精密转台上让某轴处于+1g和-1g的场中时分别测量其输出为A_+1g和A_-1g为：

A_+1g＝A_off+(1g×Gain) (14)

A_-1g＝A_off-(1g×Gain) (15)

则计算出增益和失调为：

A_off＝0.5×(A_+1g+A_-1g) (17)

利用这个结果可以从测量结果中减去失调，再除以增益，得出加速度值A_real：

利用这个加速度值，结合双轴倾角算法就可以得出倾角值得大小。

7.2分辨力实验

双轴精密转台采用步进电机驱动，最小步进角为0.36°，机械传动的减速比为124:1，则实际的转台最小步进角为0.0029°。转台从0°开始旋转，以最小步进角进行递增，软件内部对采集的数据采用滑动平均滤波算法处理。从测量仪采集的数据中抽取出现第一次角度输出的点附近若干点进行绘图，见图6所示。

经过数据分析得出：当转台的角度输入达到0.0551°时，倾角测量仪开始有第一次输出，数值为0.0532°，误差为0.0019°度。和过采样算法计算的最小测量角度基本相吻合。

7.3测量对比实验

在双轴精密转台上进行了倾角测量实验。以X轴和Y轴所在平面垂直于测量面，X轴和被测量面平行，Y轴垂直于测量面。在X轴和水平面夹角从-90°～+90°的范围内每隔0.1°增加，到达+90°后再返回-90°，从而可以计算出测量仪的线性误差，回差，引用误差等参数。结果见图7。

经过数据线性拟合的分析，可以得出精密转台输入角度x和输出角度y之间的关系为：y＝1.00082x-5.6821×10^-4，斜率的标准差为：5.2993×10^-5，截距标准差为0.00277。线性误差小于0.00525％，回差为0.006231％。实验结果表明采用了过采样算法的倾角测量仪具有很高的测量精度，线性度和回差特性，验证了这种新型倾角仪的结构合理性，能够实现倾角的高精度大范围测量。

Claims (1)

1.基于过采样技术的高精度倾角测量仪，其特征在于：包括FXLN8361微加速度计和MSP430F5529控制器，FXLN8361微加速度计通过调理电路将采集信号送入MSP430F5529控制器进行转换，MSP430F5529控制器采用过采样算法以及双轴倾角计算将采集信号的转换结果传输给显示单元进行显示,使测量的最小角度达到0.05°，所述的调理电路采用AD623放大器构成；

FXLN8361微加速度计输出的信号V_+IN进入AD623放大器之后，为了使MSP430F5529控制器的芯片ADC的参考电压1.5V匹配，经过内部的差分运算电路减掉2脚的0.75V的0g偏置电压后再放大，电阻R1的两端分别连接到AD623放大器的1脚与8脚用于调节放大倍数，将放大后的信号再经过平移，加上5脚的参考电压，最后的输出计算公式为：

V_out＝(V_+IN-V_-IN)G+V_REF (12)

其中放大倍数±1g变化时的输出电压0.22V放大3倍，使得满量程输出的电压与芯片ADC的参考电压1.5V匹配，其中，V_out为输出电压，V_REF为参考电压值，R1为增益调整电阻，V_-IN为2脚的0.75V的0g偏置电压，0g偏置电压为FXLN8361微加速度计静态0g时的输出电压。