CN201062949Y - 物体动态倾角的测量装置 - Google Patents

Abstract

一种物体动态倾角的测量装置，涉及测量技术领域；所要解决的是物体动态倾角的测量的技术问题；该测量装置包括用于测量加速度分量a_X、a_Y的加速度计、设有射频发射模块和射频接收模块的数据无线传输部分、用于实现与无线接收端的串口通信、加速度到角度的计算与曲线绘图的动态倾角计算部分，动态倾角计算部分，包括电脑和连接所述电脑与无线接收模块的RS232接口；电脑设有的计算程序，能利用θ_x＝5.8480a_y－0.4006r，θ_y＝5.8480a_x－0.4006r的公式实时计算出物体的倾角，并绘制对应的曲线。本实用新型具有开发成本低，传输距离长，能利用对加速度的测量就能解决物体动态倾角的测量问题的，能对现场物体动态倾角进行实时无线遥测的特点。

Description

物体动态倾角的测量装置

技术领域

本实用新型涉及测量技术，特别是涉及一种物体动态倾角的测量装置的技术。

背景技术

在许多工程领域需要对物体的倾斜角度进行监测，如海浪作用下船载设备的摇摆，风载作用下高层建筑的摆动，机械手摆动，环境振动下精密机械运动台的倾斜等。目前，物体动态倾角测量多采用惯性陀螺仪或基于多普勒效应的光学系统。但是陀螺仪的价格较贵，光学系统所需辅助设备较多、测试成本较高。此外，在人员不宜长期滞留以及现场布线困难的场合，将测量数据以无线通信的方式传输到笔记本电脑亦非常必要。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能利用对加速度的测量就能解决物体动态倾角的测量问题的，能对现场物体动态倾角进行实时无线遥测的物体动态倾角的测量装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型所提供的一种物体动态倾角的测量装置，包括：

一加速度测量部分，为用于测量加速度分量a_X、a_Y的加速度计；

一数据无线传输部分，包括射频发射模块和射频接收模块，射频发射模块输入端连接加速度计的输出端；所述射频发射模块内设有能实现PWM的脉宽计数的单片机的计数器T0，所述射频发射模块内设还有能完成数据的无线发射的发射单元；射频接收模块的接收端与RS232接口连接，用于实现与PC机的通信和数据处理；

一动态倾角计算部分，用于实现与无线接收端的串口通信、加速度到角度的计算与曲线绘图二个功能，包括电脑和连接无线接收模块与电脑的RS232接口；电脑设有物体动态倾角的计算程序，能利用接收到的加速度分量a_X、a_Y，根据物体绕X轴动态倾角为：θ_x＝5.8480a_y-0.4006r，物体绕Y轴动态倾角为：θ_y＝5.8480a_x-0.4006r的公式实时计算出物体的倾角，并绘制对应的曲线。

进一步的，所述电脑设有的物体动态倾角的计算程序采用VC++的MFC(微软基础类库)编程的软件实现。

进一步的，所述射频发射模块内采用SOC无线单片机。

进一步的，所述电脑为便携式笔记本电脑，所述笔记本电脑采用一USB-232转接线实现与无线接收模块的数据通信。

进一步的，所述数据无线传输部分采用免申请的2.4GHz ISM频段进行无线传输。

利用本实用新型提供的物体动态倾角的测量装置，由于采用合理的只需测量加速度就能计算得到物体动态倾角的测量技术，使本实用新型只需通过价格低廉的MEMS加速度计对加速度的测量就能解决物体动态倾角的测量问题，并可同时测量低速摇摆物体绕X轴与Y轴的倾斜角度，方便地与笔记本电脑进行无线通信；由于采用无线传输的数据传输方式，所以能对现场物体的动态倾角进行实时(无线)遥测；由于采用SOC无线单片机实现无线通信，所以降低开发成本；由于采用全球免申请的2.4GHz的ISM频段，而且空间无障碍传输距离约为30米，所以与篮牙技术相比，传输距离长，即实时无线遥测的距离长。

附图说明

图1是本实用新型实施例物体动态倾角测量装置的加速度测量部分的外围电路图；

图2是本实用新型实施例物体动态倾角测量装置的射频发射模块的电路图；

图3是本实用新型实施例物体摇摆倾角测试曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本实用新型的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本实用新型，凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例所依据的一种物体动态倾角测量方法，通过价格低廉的MEMS(微机电系统)加速度计ADXL202E感知X，Y轴上的加速度分量。通过一定的算法求出倾斜角度的变化。具体算方法如下：当物体摇摆时，倾斜轴上存在动态加速度和静态加速度(重力加速度的分量)。以物体绕X轴以15°/s的角速度摇摆为例，沿Y轴(垂直于X轴)产生的动态加速度为：

$a_{\mathrm{dy}}={\mathrm{\ω}}^{2}r={\left(\frac{15}{180}\mathrm{\π}\right)}^{2}r=0.0685r\left({\mathrm{ms}}^{-2}\right)---\left(1\right)$

式中，r-传感器到摇摆轴线的的距离。单位：m。

沿Y轴产生的静态加速度为：

$a_{\mathrm{sy}}=g\sin {\mathrm{\θ}}_x\≈9.8\frac{{\mathrm{\θ}}_x}{180}\mathrm{\π}=0.1710{\mathrm{\θ}}_x\left({\mathrm{ms}}^{-2}\right)---\left(2\right)$

式中，θ_x-物体绕X轴的倾角。单位：度。

由MEMS加速度计测得的沿Y轴的加速度值为：

a_y＝a_dy+a_sy＝0.0685r+0.1710θ_x    (3)

则物体绕X轴的倾角为：

${\mathrm{\θ}}_x=\frac{a_y-0.0685r}{0.1710}=5.8480a_y-0.4006r---\left(4\right)$

按照同样的方法，可得到物体绕Y轴的倾角为：

θ_y＝5.8480a_x-0.4006r    (5)

为减小动态加速度对倾斜角度测量的影响，可将(无线)传感器安装在靠近摇摆轴线的位置(即减小r的值)。例如，将传感器安装在距离摇摆轴线1厘米的位置，若物体的摇摆角速度小于15°/s，则动态加速度产生的倾角测量的误差小于0.4006*0.01＝0.004(度)，在测量精度要求不高的情况下，此误差可以忽略不计。

本实用新型实施例所依据的一种物体动态倾角的测量方法，步骤如下：

1)加速度测量：用MEMS加速度计ADXL202E同时测量X轴、Y轴上的加速度分量a_X、a_Y；

2)无线传输测试数据：采用射频发射模块和射频接收模块进行测试数据——加速度分量a_X、a_Y的无线传输；

3)计算物体动态倾角：用笔记本电脑同时接收测试数据a_X、a_Y。再由所述(4)式计算物体绕X轴的动态倾角：θ_x＝5.8480a_y-0.4006r；由(5)式计算物体绕Y轴的动态倾角：θ_y＝5.8480a_x-0.4006r。角度的解算与曲线绘制采用VC++的MFC(微软基本类库)实现。运行界面见图3，程序利用MFC(微软基础类库)编写。曲线的横坐标为时间(单位：秒)，纵坐标为物体的倾角(单位：度)。

本实用新型实施例所提供的一种物体动态倾角的测量装置，包括：

一加速度测量部分，为MEMS加速度计ADXL202E及其外围电路；如图1所示，电路中有一个0.1μF的去藕电容Cdc，以消除电路中电源波动对传感器输出信号的影响。两路信号输出X_OUT和Y_OUT分别经过一个18k的限流电阻送到nRF24E1的P0口的INT0和INT1引脚，实现对传感器输出的实时采集。此外，0.1μF的外接电容C_X和C_Y决定了传感器带宽。外接电阻R_SET决定了PWM的周期。为减少寄生电容和抑制零点漂移，C_X，C_y，R_SET分别安装在紧靠X_FILT，Y_FILT和T₂引脚处。

一数据无线传输部分，包括nRF24E1射频发射模块和射频接收模块；射频发射模块的电路如图2所示，主要由nRF24E1和一些外围元器件组成；其中，电阻、电容以及电感全部采用0603型号。电阻的精度为1％，电容为5％，电感则采用高精度的绕线电感。晶体振荡器采用外接晶振，晶振的特性是：并联谐振频率f＝16MHz，CL＝12pF，等效串联电阻ESR＜100Ω。C5、C6、C7、C8为电源的去藕合电容；VSS，VSS PA直接接地面；DVDD、DVDD2通过电容C9、C10与模拟地面分开；IREF接了一个22kΩ的外置直流偏置电阻。接收模式时，ANT1和ANT2引脚端提供射频信号输入到低噪声放大器(LNA)；发射模式下，从功率放大器(PA)提供射频信号输出到天线。天线与nRF24E1间设置LC选频滤波网络，滤除带外干扰信号和高频噪声，该网络由L1、L2、C3、C4、C11、C12、C13组成。天线采用的是印刷电路板1/4波长单极天线。ADXL202E的输出端X_out，Y_out输出PWM波，PWM占空比与X，Y轴的加速度成比例关系；分别将X_out，X_out引脚通过限流电阻与nRF24E1的输入端P0.3，，P0.4引脚连接；通过nRF24E1内部的8051单片机的计数器T0实现PWM的脉宽计数，再通过nRF2401射频单元完成数据的无线发射；在(射频接收模块的)接收端，通过nRF24E1的Tx，Rx复用端口以及MAX232芯片与RS232连接，实现与PC机的串行通信与数据处理。采用SOC无线单片机nRF24E1实现免申请2.4GHz ISM频段的无线传输；与篮牙技术相比，开发成本低，传输距离长。

在测试数据的无线传输中，数据包包括前导码、地址码、有效数据和CRC校验4部分。其中，前导码由硬件自动加上；地址码为32～40位；CRC是CRC校验和，可由内置CRC纠检错硬件电路自动加上，可设为0、8或16位。地址码、有效数据和CRC的总长度最大为256位。设置较短的地址和校验和可以提高传输效率，但可靠性降低。

nRF24E1采用144位的配置字，该配置字规定了无线收发器的接收地址、收发频率、发射功率、无线传输速率、无线收发模式、CRC校验和的长度以及有效数据的长度。在软件设计中，先对发送端的nRF24E1芯片进行编程，以读取ADXL202输出脉冲中高电平所占据的时间，并把它发送到接收端。在发送前，需要进行发送配置。然后对接收端的nRF24E1芯片进行编程。

一动态倾角计算部分，用于实现与无线接收端的串口通信、加速度到角度的计算与曲线绘图二个功能。包括笔记本电脑和连接无线接收端与笔记本电脑的硬件接口；其中，串口通信采用业界流行的9600波特率，N，8，1格式。鉴于一般笔记本电脑上没有232接口，可利用一根USB-232转接线实现笔记本与无线接收模块的数据通信。笔记本电脑设有物体动态倾角的计算程序，能利用接收到的加速度分量a_X、a_Y，根据物体的绕X轴动态倾角θ_x＝5.8480a_y-0.4006r(4)，物体的绕Y轴动态倾角θ_y＝5.8480a_x-0.4006r(5)的公式实时计算出物体的倾角，并绘制对应的曲线。

本实用新型实施例物体动态倾角的测量装置的适用范围：摇摆角速度：＜15°/s，倾角：±45°。误差补偿后的测量精度：±0.05°。对测量得到的动态倾角进行差分处理可得到物体摇摆角速度。空间无障碍无线传输距离30米左右。

Claims (4)

1.一种物体动态倾角的测量装置，其特征在于，包括：

一加速度测量部分，为用于测量加速度分量α_X、α_Y的加速度计；

一数据无线传输部分，包括射频发射模块和射频接收模块，射频发射模块输入端连接加速度计的输出端；通过射频发射模块内的单片机的计数器T0实现PWM的脉宽计数，再通过射频模块的发射单元完成数据的无线发射；在射频接收模块的接收端，通过与RS232接口的连接，实现与PC机的通信与数据处理；

一动态倾角计算部分，用于实现与无线接收端的串口通信、加速度到角度的计算与曲线绘图，包括能实时计算物体动态倾角的电脑和连接所述电脑与无线接收模块的RS232接口。

2.根据权利要求1所述的物体动态倾角的测量装置，其特征是，所述射频发射模块内采用SOC无线单片机。

3.根据权利要求1所述的物体动态倾角的测量装置，其特征是，所述电脑为便携式笔记本电脑，所述笔记本电脑采用一USB-232转接线实现与无线接收模块的数据通信。

4.根据权利要求1所述的物体动态倾角的测量装置，其特征是，所述数据无线传输部分采用免申请的2.4GHz ISM频段进行无线传输。

Images