CN107167113B - 一种倾角检测装置及其角度解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种倾角检测装置及其角度解算方法，倾角检测装置包括敏感轴相互正交设置的第一、第二和第三加速度计；用于提供恒温空间的温控模块；用于抑制外界磁场波动的磁屏蔽模块；所述第一、第二和第三加速度计均设于温控模块和磁屏蔽模块所形成的空间内。上述倾角检测装置，在传统的三轴加速度计基础上，通过温控模块有效地降低温度带来的影响，并通过磁屏蔽模块降低磁场扰动所带来的误差，使两者引起的噪声大幅降低。本申请采用特定的算法修正加速度输出结果，从而实现角秒量级的高精度倾角检测。

Description

一种倾角检测装置及其角度解算方法

技术领域

本申请涉及角度测量技术领域，具体涉及一种倾角检测装置，还涉及一种该倾角检测装置的角度解算方法。

背景技术

倾角检测装置譬如倾斜仪，是用于测量目标表面相对于当地水平面的倾斜角度的仪器。高精度倾斜仪是精密仪器研制的重要领域之一，极高精度的倾斜仪(分辨率达0.001角秒)可用于对地倾斜固体潮检测、地壳形变监测或地球动力学研究；高精度的倾斜仪(分辨率达0.1角秒)也可用于测量舰船、战车的倾斜角度，或者地质钻探、测井等领域。

在地球物理应用领域，基于不同的原理，有水管倾斜仪、水平摆/竖直摆/折叠摆倾斜仪、气泡倾斜仪、激光倾斜仪等类型，其精度极高但量程都很小，而且体积大，对使用环境的温度稳定度、残余振动等条件要求苛刻，甚至需要进行气压检测和同步改正。

在工程应用上的一些高精度商用倾斜仪，例如RION公司的倾斜仪，产品体积和功耗较小，其敏感结构为摆系，测量范围可以达到±15°，但分辨率和精度均有待提高。此外，部分采用ADXL335三轴加速度传感器构建的倾斜仪可以实现一个倾斜方向上接近±90°的测量，其测量精度只有约700角秒(0.2°)；受测量原理限制，在接近±90°时精度较差。

在具体的工作原理中，无论是基于摆系还是基于二轴加速度计的倾斜仪，其原理均为由当地重力加速度g₀在倾斜仪敏感轴上的分加速度解算角度，即θ＝arcsin(a/g₀)，a为摆系或加速度计测量得到的加速度。此时倾斜仪有两种安装方式：(1)两个加速度计的测量轴在接近水平面的位置。此时，当倾斜仪在不同的重力加速度g₀的环境下使用时，除非重新进行灵敏度标定，否则将出现不可忽视的系统误差；(2)当两个测量轴安装在其他方向时，只能测量仪器在两个轴所在平面内的转动，转动角由α＝arctan(a_y/a_z)式给出，其中a_y、a_z分别为两个敏感轴测量的加速度值。该方案不能准确给出安装平面相对于水平面的角度，因此具有明显的原理局限性。

基于三轴加速度计的倾斜仪，利用第三只加速度计的输出参与角度解算，可以从模型上有效克服上述局限性。但现有基于三轴加速度计的倾斜仪受到诸多因素的限制，例如加速度计的噪声、模型误差、角度解算方式、环境温度和磁场扰动误差等，其测量精度未能达到角秒量级。因此，现有基于加速度计方案的倾斜仪等倾角检测装置，其精度有待提高。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种倾角检测装置及其角度解算方法，抑制加速度计的噪声、模型误差、环境温度和磁场扰动等所带来的影响及误差，，并改进角度解算方式，以提高倾角检测的精度。

一种倾角检测装置，所述倾角检测装置包括：

敏感轴相互正交设置的第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计；

温控模块，用于提供恒温空间，以设置所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计；

磁屏蔽模块，用于屏蔽环境磁场的波动，所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计均设于所述磁屏蔽模块所形成的磁屏蔽空间内。

一种基于上述倾角检测装置的角度解算方法，所述倾角检测装置还包括伺服电路，所述角度解算方法包括：

其中，定义第一加速度计的敏感轴所在的轴为X轴且其垂直于所述底座所在的平面，定义第二加速度计和第三加速度计的敏感轴所在的轴分别为Y轴和Z轴，a_x、a_y、a_z分别为第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计在倾角检测装置相对于初始水平面发生变化时的对应测量值，α、β分别为第二加速度计和第三加速度计的敏感轴相对于所述初始水平面的倾角；

其中，定义所述底座所在的平面初始时平行于所述初始水平面，γ为所述底座相对于所述初始水平面发生变化的角度。

上述倾角检测装置及其角度解算方法，在传统的三轴加速度计基础上，通过温控模块有效地降低温度带来的影响，并通过磁屏蔽模块降低磁场扰动所带来的误差，使两者引起的噪声大幅降低。此外，本申请能够实现角秒量级的高精度计算。

附图说明

图1为一实施例中倾角检测装置的部分剖面结构示意图，其中，还显示了定义的三维坐标关系示意图；

图2为一实施例中倾角检测装置的具体实现模块框图。

具体实施方式

请参阅图1，图1为一实施例中倾角检测装置的部分剖面结构示意图，在本实施例中，所述倾角检测装置包括但不限于第一加速度计2a、第二加速度计2b、第三加速度计2c、温控模块(未标示)以及磁屏蔽模块5。需要说明的是，第一加速度计2a、第二加速度计2b、第三加速度计2c、温控模块以及磁屏蔽模块5为本实施例的最小可实现模组，其可以架构于图1所示的结构中，但在其他实施例中也可以不包括图1所示的其他结构、或可以替换图1所示的其他结构，在此不作限定。

其中，第一加速度计2a、第二加速度计2b、第三加速度计2c可以采用石英挠性加速度计或其他类型的加速度计、或其组合进行配置使用。进一步而言，可以采用μg精度级别或低于μg精度级别的加速度计，在此不作限定。

在本实施例中，第一加速度计2a、第二加速度计2b和第三加速度计2c的敏感轴分别相互正交设置，不难看出，在初始状态时，第一加速度计2a的敏感轴平行于图1所示的X轴，第二加速度计2b的敏感轴平行于图1所示的Y轴,第三加速度计2c的敏感轴平行于图1所示的Z轴。

温控模块用于提供恒温空间，以设置所述第一加速度计2a、第二加速度计2b和第三加速度计2c，亦即是说，温控模块可以构成相对密封以易于控制的恒温、可调的收容空间，以降低温度变化所造成的影响。其中，恒温空间可以为多边体型、也可以为球型等。

在本实施例中，所述第一加速度计2a、第二加速度计2b、第三加速度计2c均设于所述磁屏蔽模块5所形成的磁屏蔽空间内，磁屏蔽模块5用于屏蔽环境磁场的波动，避免磁场变化所造成的影响。相类似地，磁屏蔽空间可以为多边体型、也可以为球型等。需要说明的是，温控模块可以设于磁屏蔽空间内，反而言之，磁屏蔽模块5也可以设于温控模块提供的恒温空间内。

作为其中一种实施例，在图1中，所述倾角检测装置还包括底座7和框架1，所述底座7与所述磁屏蔽模块5连接设置并构成所述磁屏蔽空间，所述框架1设置于所述底座7上，所述第一加速度计2a、第二加速度计2b和第三加速度计2c设置于所述框架1上。

需要说明的是，所述底座7与所述磁屏蔽模块5可以一体成型，也可以独立加工，底座7可以采用金属材料制得，也可以采用非金属材料。

在具体的实施例中，所述底座7与所述磁屏蔽模块5可以形成长方体、也可以形成球体，在此不作限定。

值得注意的是，本实施例的所述温控模块包括但不限于紧邻所述第一加速度计2a、第二加速度计2b和第三加速度计2c设置的温度传感器(未标示)、加热单元3，以及，设于所述温度传感器与所述磁屏蔽模块5之间的保温绝热层4。其中，加热单元3可以采用加热丝或者加热片等方式。

需要说明的是，保温绝热层4可以形成相对密封的空间以收容所述第一加速度计2a、第二加速度计2b、第三加速度计2c、温度传感器以及加热单元3。其中，温度传感器以及加热单元3可以分布于框架1的外层。

在本实施例中，所述倾角检测装置还包括温度控制器，譬如采用PI控制器与所述温控模块相连接，当然，本实施例还可以采用其他主动温控方式的控制器，在此不作限定。需要说明的是，本实施例的PI控制器为线性控制器，其可以根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

上述实施例从结构原理层面对本申请进行概述，请具体参阅图2，图2为一实施例中倾角检测装置的具体实现模块框图。

结合图1参阅图2所示，本实施例倾角检测装置包括但不限于结构探头、伺服电路6和系统输出三部分，其中，结构探头可以为图1所述的加速度计2a/2b/2c，以及温控模块，伺服电路6可以包括信号调理1/2/3/4、标定参数1/2/3、加速度模型1/2/3、PI控制器以及角度解算等模块，系统输出则为输出的多个角度值。在伺服电路6中，通过信号调理1/2/3/4调理加速度计2a/2b/2c的输出信号，写入加速度模型1/2/3的标定参数1/2/3后以得到加速度计2a/2b/2c对应的加速度输出a_x、a_y、a_z，并通过解算得到角度的变化值以进行系统输出或显示。此外，如图1所示，优选地，伺服电路6夹设于框架1和底座7之间。

需要特别说明的是，在本实施例中，所述伺服电路6所采用的角度解算方法包括：

在式1和2中，本实施例预先定义第一加速度计2a的敏感轴所在的轴为X轴且其垂直于所述底座7所在的平面，定义第二加速度计2b和第三加速度计2c的敏感轴所在的轴分别为Y轴和Z轴，a_x、a_y、a_z分别为第一加速度计2a、第二加速度计2b和第三加速度计2c在倾角检测装置相对于初始水平面发生变化时的对应测量值，α、β分别为第二加速度计2b和第三加速度计2c的敏感轴相对于所述初始水平面的倾角，那么，依此可以推算得到所述底座7相对于所述初始水平面发生变化的角度解算方式如下：

在式3中，定义所述底座7所在的平面初始时平行于所述初始水平面，γ为所述底座7相对于所述初始水平面发生变化的角度。

需要指出的是，上述的角度解算方法是伺服电路6的一部分，上述算法不需要计算底座7的旋转角度，因此也与框架1绕Y、Z轴旋转的次序无关，而是直接计算加速度计敏感轴相对于水平面的角度的变化，因此解算过程简洁、物理含义清晰，也不需要测量当地重力加速度。倾角测量过程对受到的竖直加速度扰动也不敏感。此外不难理解的是，α、β、γ之间有如下关系：sin²γ＝sin²α+sin²β。

进一步而言，本实施例非常适用于探测底座7相对于初始水平面的低频倾斜，因此对安装平面的高频振动不敏感，当底座7的低频运动可以忽略时，加速度计2a/2b/2c测量值的矢量和即为当地加速度值g₀，即而当已知当地重力加速度g₀并且误差可以忽略时，上述计算过程才可进一步简化为基于二轴加速度计的二轴倾斜仪模型。

本实施例还提供一种用于倾角检测装置的角度解算方法，所述角度解算方法包括但不限于如下过程：

其中，参考式1和式2所述，定义第一加速度计的敏感轴所在的轴为X轴且其垂直于所述底座所在的平面，定义第二加速度计和第三加速度计的敏感轴所在的轴分别为Y轴和Z轴，a_x、a_y、a_z分别为第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计在倾角检测装置相对于初始水平面发生变化时的对应测量值，α、β分别为第二加速度计和第三加速度计的敏感轴相对于所述初始水平面的倾角；

其中，参考式3所述，定义所述底座所在的平面初始时平行于所述初始水平面，γ为所述底座相对于所述初始水平面发生变化的角度。

优选地，本实施例的所述角度解算方法适用于前面实施例提及的倾角检测装置，进一步而言，本实施例的所述角度解算方法可以通过伺服电路的方式实现。

需要特别指出的是，为保证上述倾斜仪的使用精度，在倾角检测装置应用前还需要进行准确标定，本实施例的所述倾角检测装置还可以包括参数标定模块(未标示)，所述参数标定模块所采用的输出模型可以包括：

a_i(t)B K_i{K_0,i+MV_i(t)+K_2,i·[MV_i(t)]²+K_T,i·[T(t)-T₀]+K_B,i·[B(t)-B₀]}---式4

在式4中，i＝x、y和z，K_i为加速度计的标度因子，K_0,i为零偏，K_2,i为非线性系数，M为轴间安装误差角引起的耦合矩阵，K_T,i、K_B,i分别为对应轴的残余温度响应系数和磁场响应系数，T₀和B₀分别为标定开始时环境温度和磁场的初始值。其中，其他参数在本领域中属于现有技术，在此不作限定和赘述。

进一步而言，本实施例的K_i、K_0,i、K_2,i、M为在温度和磁场稳定时采用高精度倾斜平台标定，K_T,i为在环境试验平台中标定的残余温度响应系数，K_B,i磁场响应系数在标定确认后可忽略为零。

通过上述方式，可以得到图2所示的标定参数1/2/3，即得到加速度计2a/2b/2c的输出模型系数，用修正后的加速度输出解算测量角度α、β、γ，以便达到角秒量级的倾角测量精度。

结合上述实施例所述，本实施例还可以提供一种倾角检测装置的参数标定方法，所述参数标定方法所采用的输出模型可以为上述式4，即：

a_i(t)B K_i{K_0,i+MV_i(t)+K_2,i·[MV_i(t)]²+K_T,i·[T(t)-T₀]+K_B,i·[B(t)-B₀]}

如前所述，i＝x、y和z，K_i为加速度计的标度因子，a_x、a_y、a_z分别为第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计在倾角检测装置相对于初始水平面发生变化时的对应测量值，K_0,i为零偏，K_2,i为非线性系数，M为轴间安装误差角引起的耦合矩阵，K_T,i、K_B,i分别为对应轴的残余温度响应系数和磁场响应系数，T₀和B₀分别为标定开始时环境温度和磁场的初始值。

参考前面实施例的描述，所述参数标定方法具体包括：在温度和磁场稳定时采用高精度倾斜平台标定K_i、K_0,i、K_2,i、M，在环境试验平台中标定的残余温度响应系数K_T,i，K_B,i磁场响应系数忽略为零。

上述倾角检测装置及其参数标定方法，在传统的三轴加速度计基础上，通过温控模块有效地降低温度带来的影响，并通过磁屏蔽模块降低磁场扰动所带来的误差，使两者引起的噪声大幅降低。此外，本申请采用特定的算法修正加速度输出结果，从而能够实现角秒量级的高精度计算。该发明基于成熟的加速度计技术，构建的倾角测量装置使得在待测表面发生大角度倾斜时也能确保倾斜角的测量精度，且测量对竖直加速度扰动具有共模抑制能力，使该发明具有较好的经济适用价值。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种倾角检测装置，应用于倾斜仪中，其特征在于，所述倾角检测装置包括：

敏感轴相互正交设置的第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计；

温控模块，用于提供恒温空间，以设置所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计；

磁屏蔽模块，用于屏蔽环境磁场的波动，所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计均设于所述磁屏蔽模块所形成的磁屏蔽空间内；

参数标定模块，用于在倾角检测装置应用前进行准确标定，以得到第一、二、三加速度计的输出模型系数；

伺服电路，根据参数标定模块得出的第一、二、三加速度计的输出模型系数解算测量角度。

2.根据权利要求1所述的倾角检测装置，其特征在于，所述倾角检测装置还包括：

底座，与所述磁屏蔽模块和温控模块连接；

框架，设置于所述底座上，所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计设置于所述框架上。

3.根据权利要求2所述的倾角检测装置，其特征在于，所述伺服电路所采用的角度解算方法包括：

其中，定义第一加速度计的敏感轴所在的轴为X轴且垂直于所述底座所在的平面，定义第二加速度计和第三加速度计的敏感轴所在的轴分别为Y轴和Z轴，a_x、a_y、a_z分别为第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计在倾角检测装置相对于初始水平面发生变化时的对应测量值，α、β分别为第二加速度计和第三加速度计的敏感轴相对于所述初始水平面的倾角；

其中，定义所述底座所在的平面初始时平行于所述初始水平面，γ为所述底座相对于所述初始水平面发生变化的角度。

4.根据权利要求1所述的倾角检测装置，其特征在于，所述温控模块包括：

紧邻所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计设置的温度传感器、加热单元；

设于所述温度传感器与所述磁屏蔽模块之间的保温绝热层。

5.根据权利要求4所述的倾角检测装置，其特征在于，所述倾角检测装置还包括：PI控制器，与所述温控模块相连接。

6.根据权利要求2所述的倾角检测装置，其特征在于，所述底座与所述磁屏蔽模块一体成型。

7.一种基于权利要求2所述的倾角检测装置的角度解算方法，其特征在于，所述角度解算方法包括：

其中，定义第一加速度计的敏感轴所在的轴为x轴且其垂直于所述底座所在的平面，定义第二加速度计和第三加速度计的敏感轴所在的轴分别为y轴和z轴，a_x、a_y、a_z分别为第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计在倾角检测装置相对于初始水平面发生变化时的对应测量值，α、β分别为第二加速度计和第三加速度计的敏感轴相对于所述初始水平面的倾角；

其中，定义所述底座所在的平面初始时平行于所述初始水平面，γ为所述底座相对于所述初始水平面发生变化的角度。