CN106289167A - 具有环境误差消除功能的加速度式倾角测量传感器及方法 - Google Patents

Abstract

一种具有环境误差消除功能的加速度式倾角测量传感器及方法，该传感器包括两个相同型号的加速度测量传感器、A/D转换模块、微处理器、数据采集端和电源模块，由电源模块向加速度传感器、A/D转换模块、微处理器提供所需的工作电压；本发明通过测量重力加速度在测量方向上的分量感应出被测倾角；本发明使用两块型号相同的加速度传感器，保证其安装时存在一定的测量角度偏差，通过微处理器的运算，消除环境引起的测量芯片灵敏度变化，以及重力加速度数值变化所造成的测量误差；本发明可以使用刷写口通过通信命令对微处理器的信号处理方式进行设置，以实现对环境误差的消除；本发明具有成本低廉易于实现、测量精度高、能够消除环境因素影响的特点。

Description

具有环境误差消除功能的加速度式倾角测量传感器及方法

技术领域

本发明涉及一种具有校准功能的倾角传感器，具体涉及一种具有环境误差消除功能的加速度式倾角测量传感器以及其环境误差消除方法。

背景技术

在诸多工业现场的实时检测中，都有倾角测量的需求，通过加速度传感芯片，感应重力在测量方向上的分量大小是一种巧妙而实用的测量方法，例如公开号为：201754088U、202793312U的专利就采用了这样的技术方案。但同时，加速度传感器作为一种半导体工艺材料，对工作环境的温度、辐照环境等都较为敏感，在严酷的工业测量现场中难以保证自身测量加速度与输出电压之间恒定的灵敏度，造成了难以预知的测量误差。另一方面，不同地区的重力加速度存在差异，以我国的长春与广州为例，二者的重力加速度存在21.5mg差值，对于测量分辨率在mg量级的加速度传感器来说，对测量结果也会造成一定的影响。现有专利技术方案中，只能通过增加其他环境传感器的方式对某种环境的特定影响进行误差修正，尚未提出能够对这种由于温度、湿度、重力加速度等多种环境因素造成的复杂误差进行消除的方法。

发明内容

为了满足上述需求，本发明的目的在于提出一种具有环境误差消除功能的加速度式倾角测量传感器以及其环境误差消除的方法，本发明所提出的传感器能够对温度、湿度、辐照环境以及不同现场重力加速度差异等环境因素所带来的测量误差进行一定程度的消除。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有环境误差消除功能的加速度式倾角测量传感器，包括型号相同、安装角度有一定偏差的第一加速度测量传感器1和第二加速度测量传感器2，第一加速度测量传感器1的模拟电压输出端口11与A/D转换模块3的第一输入端口13相连；第二加速度测量传感器2的模拟电压输出端口12与A/D转换模块3的第二输入端口14相连；A/D转换模块3的第一输出端口15与微处理器4的第一输入端口17相连接，A/D转换模块3的第二输出端口16与微处理器4的第二输入端口18相连接；微处理器4的发送输出端口19和数据采集端5的接收输入端口21相连；微处理4器通过刷写口20对其内部的信号处理方式进行设定；电源模块6与第一加速度测量传感器1、第二加速度测量传感器2、A/D转换模块3以及微处理器4相连，为其提供所需的工作电压。

通过第一加速度测量传感器1和第二加速度测量传感器2测量重力在芯片测量方向上的加速度分量来反应测量倾角。

上述所述的具有环境误差消除功能的加速度式倾角测量传感器环境误差消除的方法，第一加速度测量传感器1和第二加速度测量传感器2将感应到的重力加速度分量转换为电压信号发送至A/D转换模块3，电压信号由A/D转换模块3转化为数字量后发送至微处理器4进行计算处理，再将处理后的信号传输至数据采集端5，测量前通过微处理器4的刷写口对微处理器4的信号处理方式进行设置，利用第一加速度测量传感器1和第二加速度测量传感器2的测量数据进行运算，以实现对环境误差的消除。

具体方法如下：所述第一加速度测量传感器1和第二加速度测量传感器2的灵敏度为k，测量所在工业现场的重力加速度为g，第一加速度测量传感器1和第二加速度测量传感器2在安装完成后具有一定夹角θ，接通后，通过第一加速度测量传感器1和第二加速度测量传感器2感应重力加速度分别在其测量方向上产生的加速度分量大小来反应传感器的倾角状态，当加速度芯片测量方向与水平方向存在角度为α的倾角时，第一加速度测量传感器1的输出电压有：

V₁＝k*g*sin(α)

同时对于第二加速度测量传感器2的输出电压有：

V₂＝k*g*sin(α+θ)

将第一加速度测量传感器1和第二加速度测量传感器2的测量信号在A/D转换模块3中进行模拟量到数字量的转换，再输出至微处理器4，微处理器4中对信号进行如下处理：

$\frac{V_2}{V_1}=\frac{k*g*\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})}{k*g*\sin \left(\mathrm{\α}\right)}=cos\left(\mathrm{\θ}\right)+sin\left(\mathrm{\θ}\right)*\cot \left(\mathrm{\α}\right)$

从上述结果中可以发现，两个加速度传感器的比值结果的表达式只包括了加速度传感器的安装偏角与测量倾角，其中安装偏角在传感器安装时已经确定，因此从这一结果中得到被测倾角信息，故经过微处理器4的处理能够消去由于灵敏度系数与重力加速度变化所造成的倾角α的测量误差，实现了倾角传感器的环境误差消除修正功能。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、传感器内部需要安装两个呈一定夹角布置的第一加速度测量传感器1和第二加速度测量传感器2，与相关测量辅助电路、芯片，即可得到相对地面的倾角，结构简单轻便，与现有技术相比，这种在一个传感器中安装两块相同的加速度测量传感器，且具有恒定角度差异的安装方式是未曾出现过的。

2、与传统通过增加温度传感器等环境传感装置来进行误差修正的方式不同，本发明使用了两个参数相同的加速度传感器进行测量，再经微处理器对结果进行处理，消除了温度变化造成的灵敏度变化，提升了测量精度。

3、在补偿温度、湿度等因素对芯片灵敏度影响的同时，通过微处理器的计算消除了由于维度、海拔造成重力加速度数值不同所带来的倾角测量误差，不需要依据测量现场的重力加速度数值进行标定测试。

4、成本低廉，电路易于实现，且工作功耗较小。

附图说明

图1为本发明的部件连接示意图。

图2为本发明的加速度传感器安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，一种具有环境误差消除功能的加速度式倾角测量传感器，包括型号相同、安装角度有一定偏差的第一加速度测量传感器1和第二加速度测量传感器2，第一加速度测量传感器1的模拟电压输出端口11与A/D转换模块3的第一输入端口13相连；第二加速度测量传感器2的模拟电压输出端口12与A/D转换模块3的第二输入端口14相连；A/D转换模块3的第一输出端口15与微处理器4的第一输入端口17相连接，A/D转换模块3的第二输出端口16与微处理器4的第二输入端口18相连接；微处理器4的发送输出端口19和数据采集端5的接收输入端口21相连；微处理4器通过刷写口20对其内部的信号处理方式进行设定；电源模块6与第一加速度测量传感器1、第二加速度测量传感器2、A/D转换模块3以及微处理器4相连，为其提供所需的工作电压。

为了能够实现所需的环境误差消除功能，本传感器内安装有两块型号相同的第一加速度测量传感器1和第二加速度测量传感器2，安装时保证具有一定的角度偏差，通过微处理器的计算，实现灵敏度、加速度数值变化造成误差的消除。下面对本发明的测量及环境误差消除方法进行说明。

本发明进行测量时，第一加速度传感器1与第二加速度传感器2将感应到的重力加速度分量转换为电压信号发送至A/D转换模块3，电压信号由A/D转换模块3转化为数字量后发送至微处理器4进行计算处理，再将信号传输至数据采集端5，。测量前可以通过微处理器刷写口对微处理器的信号处理方式进行设置，以实现对环境误差的消除。

下面结合图2，对本发明传感器误差消除方法进行说明。如图2所示，本发明传感器中安装有两块相同的第一加速度传感器1与第二加速度传感器2，其灵敏度为k，测量所在工业现场的重力加速度为g，第一加速度传感器1与第二加速度传感器2在安装完成后具有一定夹角θ，接通后，通过第一加速度传感器1与第二加速度传感器2感应重力加速度分别在其测量方向上产生的加速度份量大小来反应传感器的倾角状态，当加速度芯片测量方向与水平方向存在角度为α的倾角时，第一加速度测量传感器1的输出电压有：

V₁＝k*g*sin(α)

同时对于第二加速度测量传感器2的输出电压有：

V₂＝k*g*sin(α+θ)

将第一加速度传感器1与第二加速度传感器2的测量信号在A/D转换模块3中进行模拟量到数字量的转换，再输出至微处理器4，在微处理器4中对信号进行如下处理：

$\frac{V_2}{V_1}=\frac{k*g*\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})}{k*g*\sin \left(\mathrm{\α}\right)}=cos\left(\mathrm{\θ}\right)+sin\left(\mathrm{\θ}\right)*\cot \left(\mathrm{\α}\right)$

从上述结果中可以发现，两个加速度传感器的比值结果的表达式只包括了加速度传感器的安装偏角与测量倾角，其中安装偏角在传感器安装时已经可以确定，因此可以从这一结果中得到被测倾角信息，故经过微处理器4的处理可以消去由于灵敏度系数与重力加速度变化所造成的倾角α的测量误差，实现了倾角传感器的环境误差消除修正功能。

Claims (4)

1.一种具有环境误差消除功能的加速度式倾角测量传感器，其特征在于：包括型号相同、安装角度有一定偏差的第一加速度测量传感器(1)和第二加速度测量传感器(2)，第一加速度测量传感器(1)的模拟电压输出端口(11)与A/D转换模块(3)的第一输入端口(13)相连；第二加速度测量传感器(2)的模拟电压输出端口(12)与A/D转换模块(3)的第二输入端口(14)相连；A/D转换模块(3)的第一输出端口(15)与微处理器(4)的第一输入端口(17)相连接，A/D转换模块(3)的第二输出端口(16)与微处理器(4)的第二输入端口(18)相连接；微处理器(4)的发送输出端口(19)和数据采集端(5)的接收输入端口(21)相连；微处理(4)器通过刷写口(20)对其内部的信号处理方式进行设定；电源模块(6)与第一加速度测量传感器(1)、第二加速度测量传感器(2)、A/D转换模块(3)以及微处理器(4)相连，为其提供所需的工作电压。

2.根据权利要求1所述的具有环境误差消除功能的加速度式倾角测量传感器，其特征在于：通过第一加速度测量传感器(1)和第二加速度测量传感器(2)测量重力在芯片测量方向上的加速度分量来反应测量倾角。

3.权利要求1所述的具有环境误差消除功能的加速度式倾角测量传感器环境误差消除的方法，其特征在于：第一加速度测量传感器(1)和第二加速度测量传感器(2)将感应到的重力加速度分量转换为电压信号发送至A/D转换模块(3)，电压信号由A/D转换模块(3)转化为数字量后发送至微处理器(4)进行计算处理，再将处理后的信号传输至数据采集端(5)，测量前通过微处理器(4)的刷写口对微处理器(4)的信号处理方式进行设置，利用第一加速度测量传感器(1)和第二加速度测量传感器(2)的测量数据进行运算，以实现对环境误差的消除。

4.权利要求3所述的方法，其特征在于：具体方法如下：所述第一加速度测量传感器(1)和第二加速度测量传感器(2)的灵敏度为k，测量所在工业现场的重力加速度为g，第一加速度测量传感器(1)和第二加速度测量传感器(2)在安装完成后具有一定夹角θ，接通后，通过第一加速度测量传感器(1)和第二加速度测量传感器(2)感应重力加速度分别在其测量方向上产生的加速度分量大小来反应传感器的倾角状态，当加速度芯片测量方向与水平方向存在角度为α的倾角时，第一加速度测量传感器(1)的输出电压有：

V₁＝k*g*sin(α)

同时对于第二加速度测量传感器(2)的输出电压有：

V₂＝k*g*sin(α+θ)

将第一加速度测量传感器(1)和第二加速度测量传感器(2)的测量信号在A/D转换模块(3)中进行模拟量到数字量的转换，再输出至微处理器(4)，微处理器(4)中对信号进行如下处理：

$\frac{V_2}{V_1}=\frac{k*g*\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})}{k*g*\sin \left(\mathrm{\α}\right)}=cos\left(\mathrm{\θ}\right)+sin\left(\mathrm{\θ}\right)*\cot \left(\mathrm{\α}\right)$

从上述结果中可以发现，两个加速度传感器的比值结果的表达式只包括了加速度传感器的安装偏角与测量倾角，其中安装偏角在传感器安装时已经确定，因此从这一结果中得到被测倾角信息，故经过微处理器(4)的处理能够消去由于灵敏度系数与重力加速度变化所造成的倾角α的测量误差，实现了倾角传感器的环境误差消除修正功能。