CN201090970Y - 自动进行零位补偿的倾角测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种倾角测量装置，其包括基座、倾角传感器、A/D转换器、电机、微处理器和数字输出接口，其中基座上具有测量基准面，A/D转换器采集倾角传感器的输出电压，并将其结果输送至微处理器，微处理器基于特定的函数关系根据倾角传感器的输出电压计算出测量基准面与水平面之间的倾角，所述倾角测量装置还包括旋转圆盘，旋转圆盘与测量基准面平行，倾角传感器固定在旋转圆盘的边缘位置，旋转圆盘固定在电机的输出轴上，在微处理器的控制下，所述电机可以带动旋转圆盘从第一位置旋转至第二位置，第二位置与第一位置相差180°。本实用新型提供的倾角测量装置使用方便，可在无需标准水平工作台的情况下完成零位补偿。

Description

自动进行零位补偿的倾角测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种倾角测量装置，更具体地说，本实用新型涉及一种具有自动补偿功能的倾角测量装置，其能够在无需标准水平工作台的情况下，对由于组装及其它原因而形成的零位偏差进行自动补偿。

背景技术

在机械、建筑、汽车、石油、地质和电力等工程领域，常常要求精确测量平面相对水平方向的倾角，为状态监测或姿态控制提供控制参数。

公开号为CN1003344A、CN1013063A、CN1320808A和CN1668892A的中国专利申请中分别公开了基于“液体摆”的倾斜角测量装置。其基本原理是，测量装置包括两个测量电极和一个公其电极，电极置于密闭的腔室内，腔室内装有高介电常数液体和气体。当测量装置处在水平面位置时，两个电极有相等的面积浸没在介电液体里，由电极和公开电极构成两个相等的电容器；倾斜测量仪转动一个角度时，二个电极浸没在液体里的面积则不相等，产生的电容差值则代表被测量的倾斜角的大小。

公开号为CN1532523A的中国专利申请公开了一种基于“固体摆”的数显式水平及角度测量仪，其包括外壳和角度测量装置，角度测量装置为电容角度测量传感器，外壳与电容角度测量仪的主栅或副栅固连，外壳内腔中还有一个始终自动回复并保持在重力垂直状态的重力垂直装置，重力垂直装置与电容角度测量仪的副栅或主栅固连并同轴转动；外壳上还设有一个用于决定绝对零位的精密位置开关，重力垂直装置由重锤、支承轴和浮筒构成，浮筒的位置和形状为沿重锤中垂轴轴对称。此外，公告号为CN2492832Y、CN2530245Y、CN2624179Y和CN2684149Y的中国专利申请分别公开了不同结构的基于“固体摆”的倾角测量装置，它们都是通过检测由倾角改变所引起电阻、电容或电感等参数的变化来获得测量结果。

公告号为CN2335125Y、CN2505806Y、CN2509562Y、CN2575607Y、CN2622676Y、CN2760507Y和CN2738204Y的中国专利申请分别公开了集成有不同类型传感器的倾角测量仪器或仪表，上述产品具有诸如电源部分、显示部分之类的多种外围电路，可直观地显示出测量结果。

然而，上述现有技术均没有涉及怎样对测量装置的零位偏差进行自动补偿。众所周知，各种测量装置在装配过程中，很难保证测量装置的测量面与传感器的敏感轴之间绝对平行，即存在一定的零位偏差。因此，测量装置在使用之前必须进行校准，以对零位偏差进行补偿。现有技术中补偿零位偏差常用的方法是将装配好的测量装置放置于标准的水平工作台面上，测量其输出结果，随后或者对传感器的位置进行调整，或者对输出值进行补偿，以消除零位偏差。此过程操作复杂，效率较低，不适合大批量生产。

发明内容

本实用新型旨在提供一种具有自动补偿功能的倾角测量装置，其能够在无需标准水平工作台的情况下，对由于组装及其他原因而形成的零位偏差进行自动补偿。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种倾角测量装置，其包括基座、倾角传感器、A/D转换器、电机、微处理器和数字输出接口，其中基座上具有测量基准面，A/D转换器采集倾角传感器的输出电压，并将其结果输送至微处理器，微处理器基于特定的函数关系根据倾角传感器的输出电压计算出测量基准面与水平面之间的倾角，所述倾角测量装置还包括旋转圆盘，旋转圆盘与测量基准面平行，倾角传感器固定在旋转圆盘的边缘位置，旋转圆盘固定在电机的输出轴上，在微处理器的控制下，所述电机可以带动旋转圆盘从第一位置旋转至第二位置，第二位置与第一位置相差180°。

所述倾角传感器为基于“固体摆”的电容式倾角传感器。

所述电机为步进电机。

本实用新型提供的倾角测量装置使用方便，可在无需标准水平工作台的情况下完成零位补偿。

附图说明

下面参照附图和具体实施方式对本实用新型进行更详细的说明。其中：

图1所示为基于“固体摆”的电容式倾角传感器的结构示意图；

图2所示的示意图示出了输出的电信号Vo与倾角φ之间的关系；

图3所示的示意图示出了根据本实用新型的零位偏差补偿原理；

图4所示的示意图进一步示出了根据本实用新型的零位偏差补偿原理；

图5所示为根据本实用新型的倾角测量装置的总体结构框图；

图6所示为整个系统工作的流程图。

具体实施方式

图1所示为基于“固体摆”的电容式倾角传感器的结构示意图。图1中的倾角传感器通过感知通过物体轴心的地球引力向量来测量倾斜角度，其包括一个固定在壳体上的悬臂梁，悬臂梁上连接上一活动极板，活动极板位于两块固定极板之间。为便于说明，将图1中的悬臂梁简化为具有一定阻尼的弹性系统。物体m的重力使悬臂梁产生变形，对于不同的倾角，存在与之相对应的悬臂梁变形量。随着悬臂梁在重力的作用下发生变形，活动极板相应地在两块固定极板之间移动，活动极板的位置变化将引起极板之间电容量的改变，通过检测极板之间的电容量，即可获知倾角的大小。需要指出的是，虽然此处是基于“固体摆”的电容式倾角传感器对本实用新型进行说明，但本领域的技术人员可以理解，本实用新型同样适用于基于“液体摆”或“气体摆”及其它技术的测量装置。

如图1所示，当倾角为φ时，在物体m的重力作用下而形成的轴向作用力为F＝mgsinφ，所述作用力使悬臂梁的端部产生位移x：

$x=\frac{F}{k}=\frac{\mathrm{mg}}{k}\sin \mathrm{\φ}---\left(1\right)$

其中k为弹性强度。可利用下式将位移x转换为一个电压输出量：

$\mathrm{Vp}=k_{p}x=\frac{k_p}{k}\mathrm{mg}\sin \mathrm{\φ}---\left(2\right)$

其中Kp表示通过检测电容变化而获得的电压与位移x之间的比例系数。经过增益放大器后的最终输出结果Vo为：

$\mathrm{Vo}=\frac{k_p{k}_v}{k}\mathrm{mg}\sin \mathrm{\φ}---\left(3\right)$

图2所示的示意图示出了输出的电信号Vo与倾角φ之间的关系。

木匠和建筑工人在测量平面是否处于水平时，通常是利用水泡式水平尺来进行测量，具体的做法是，先将水泡式水平尺放置在被测平面上，记录在正方向时水泡的位置，然而将水平尺旋转180°，观察在反方向时水泡的位置。如果在两次测量过程中水泡的位置相同则表示被测平面处于水平状态，反之则存在偏差。图3所示的示意图示出了根据本实用新型的零位偏差补偿过程；在本申请中，假定传感器的敏感轴为OA，在水平面内与敏感轴OA垂直的另一轴线为IA。下面详细描述本实用新型的倾角测量装置的零位补偿过程。

首先，将倾角传感器置于一个旋转圆盘上，所述圆盘的表面平行于由传感器的轴线OA和IA形成的测量平面。在第一位置POSITION 1处，记录传感器的输出电压，然而，将圆盘旋转180°，再次记录传感器在第二位置POSITION 2时的输出电压。如果旋转圆盘处于水平状态，则在第一位置和第二位置时传感器的输出电压将相同。如果旋转圆盘所在的平面与水平面之间存在一定的角度φ，则传感器在上述两个位置的输出电压将不同，输出电压之间的差值为角度φ的函数，下面将对两值之间的关系进行详细描述。

当旋转圆盘处于水平状态时，理论上传感器的输出电压值应为零。但实际上传感器仍然会有一个较小的输出电压V_B，可将其定义为不依赖于倾角传感器位置的输出电压。如果图3中的旋转圆盘处于水平状态，则很明显，在两个位置上倾角传感器的输出电压为：

V1＝V2＝V_B    (4)

图4所示的示意图示出了根据本实用新型的零位偏差补偿原理。假定测量装置的基准面处于水平状态，如果由于组装过程而使得旋转圆盘在X轴方向上与测量装置的基准面之间存在零位偏差角φ，则在第一位置和第二位置时的电压输出分别为：

V1＝V_B+V_φ    (5)

V2＝V_B-V_φ    (6)

其中V_φ为传感器与水平面之间的角度为φ时的输出电压，将式(5)减式(6)得：

$V_{\mathrm{\φ}}=\frac{V_1-V_2}{2}---\left(7\right)$

从等式(7)中可以看出，通过测量第一位置和第二位置处传感器的输出电压，可以得到与零位偏差角相对应的输出电压V_φ，通过式(3)可容易地反算出偏零位偏差角φ，从而完成零位补偿。在实际应用过程中，以下的基本条件必须满足：

·在第一位置和第二位置时的旋转圆盘处于同一平面内。

·在零位补偿时，应尽量避免测量装置震动。

·因传感器存在一定的响应时间，所以在读取传感器输出电压之前，应当使旋转圆盘在第一位置及第二位置保持一定的时长，以使传感器的输出达到平衡状态。

图5所示为根据本实用新型的倾角测量装置的总体结构框图。本实用新型的倾角测量装置选用易于进行精确控制的步进电机来实现旋转圆盘的旋转。将倾角传感器精确地安装在旋转圆盘的边缘位置。通过A/D转换器采集相位相差180°的第一位置和第二位置处的传感器输出电压，微处理器对采集的数据进行处理，完成零位补偿后，通过RS-232或者其他接口输出测量面的倾角值。

图6所示为整个系统工作的流程图。倾角测量装置通电后，微处理器首先初始化步进电机、A/D转换器、输入接口和输出接口。读取第一位置处传感器的输出电压值V1后，微处理器控制步进电机，使旋转圆盘旋转180°。延时一定时段后(例如，可以是0.1-5秒)，读取第二位置处传感器的输出电压值V2。然后计算电压V_φ，并根据此电压计算出零位偏差角φ。随后将旋转圆盘反向旋转180°，再次延时一定时段后(例如，可以是0.1-5秒)，进入正常的测量子程序。在测量过程中，将实时测量得到的角度值减去零位偏差角φ，即可得到测量表面的真实倾角值。

Claims (3)

1.一种倾角测量装置，其包括基座、倾角传感器、A/D转换器、电机、微处理器和数字输出接口，其中基座上具有测量基准面，A/D转换器采集倾角传感器的输出电压，并将其结果输送至微处理器，微处理器基于特定的函数关系根据倾角传感器的输出电压计算出测量基准面与水平面之间的倾角，其特征在于：

所述倾角测量装置还包括旋转圆盘，旋转圆盘与测量基准面平行，倾角传感器固定在旋转圆盘的边缘位置，旋转圆盘固定在电机的输出轴上，在微处理器的控制下，所述电机可以带动旋转圆盘从第一位置旋转至第二位置，第二位置与第一位置相差180°。

2.如权利要求1所述的倾角测量装置，其特征在于：所述倾角传感器为基于“固体摆”的电容式倾角传感器。

3.如权利要求1或2所述的倾角测量装置，其特征在于：所述电机为步进电机。

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