CN202757607U

CN202757607U - 一种数字化智能倾斜仪

Info

Publication number: CN202757607U
Application number: CN 201220292754
Authority: CN
Inventors: 张峰
Original assignee: SHANGHAI VIGOR TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI VIGOR TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2022-06-20

Abstract

本实用新型揭示了一种数字化智能倾斜仪，包括倾角传感器、滤波单元、滤波单元、处理器、数显分度转台、GPS单元、电源系统。倾角传感器用以生成倾斜角度的模拟信号；滤波单元用以对所述倾角传感器输出的模拟信号进行滤波；处理器用以对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波；数显分度转台用以对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；GPS单元提供测量体轨迹、位置、及辅助重力加速度计的修正、时间信息、航向角信息。本实用新型可提高横滚、俯仰的测量精度，同时实现位置定位、运动状态监控及测量过程中的数据实时性。

Description

一种数字化智能倾斜仪

技术领域

本实用新型属于测量技术领域，涉及一种倾斜仪，尤其涉及一种作水平、航向测量及自动调平的数字化智能倾斜仪。

背景技术

通常情况下，数字化倾斜仪是用来测量物体随时间的倾斜变化及铅垂线随时间变化的仪器，GPS用于导航定位，能够提供速度、时间、位置信息，它们分别独立的。

数字化倾斜仪的在不同地理位置下使用，会存在当地重力加速度与出厂地重力加速度的不同而带来的测量精度误差，特别对于高精度数字化倾斜仪来说，尤为需要突出解决的误差问题。

现有的数字化倾斜仪一般只提供单轴或者双轴测量，即横滚、俯仰角度测量，未能提供航向角度测量。

对于现有基于重力加速度原理的倾斜仪已经满足不了实际测量的要求，用户往往将被迫选择多个独立测量单元组合完成测量需求，并将多个单元将数据通过上位机融合处理。如果能将GPS与倾斜仪有机地结合在一起，减少使用者的负担，在有些应用场所如大坝监控、山体滑坡等具有明显的技术优势和应用价值。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种具有GPS定位功能的数字化智能倾斜仪，本实用新型数字化智能倾斜仪具有GPS定位功能，将GPS和倾斜仪有机地结合在一起。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种数字化智能倾斜仪，可提高横滚、俯仰的测量精度，同时实现位置定位、运动状态监控及测量过程中的数据实时性。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种数字化智能倾斜仪，所述倾斜仪包括：

倾角传感器，用以生成倾斜角度的模拟信号，并予以输出；

滤波单元，与所述倾角传感器连接，用以对所述倾角传感器输出的模拟信号进行滤波；

处理器，与所述滤波单元连接，用以对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，真实地反映出倾角输出信息，并对数字处理后的信号进行角度转换；

数显分度转台，与所述处理器连接，用以对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；所述处理器进一步利用数显分度转台计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿；

GPS单元，与所述处理器连接，提供测量体轨迹、位置、及辅助重力加速度计的修正、时间信息、航向角信息；

电源系统，与所述倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台、GPS单元连接，用以提供电源。

作为本实用新型的一种优选方案，所述GPS单元包括：

GPS天线；

GPS主体，用于对倾角传感器做重力加速度计修正；并给出位置信息、速度信息，由处理器根据预设的所述GPS天线距离，解算出航向角度信息；所述GPS主体给出的位置信息、速度信息由处理器通过232输出接口、或485输出接口、或422输出接口、或CAN接口输出，清晰地绘制出测量体的运动轨迹。

作为本实用新型的一种优选方案，所述滤波单元为硬件滤波单元，用以对倾角传感器输出的模拟信号带宽内滤波。

作为本实用新型的一种优选方案，所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂做补偿。

作为本实用新型的一种优选方案，所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的灵敏度温漂做补偿。

作为本实用新型的一种优选方案，所述倾斜仪进一步包括232输出接口、485输出接口、422输出接口、V/I输出接口、LCD输出接口、CAN接口。

作为本实用新型的一种优选方案，所述处理器为内置24bit模数转化单元AD的MCU。

作为本实用新型的一种优选方案，所述GPS单元与倾角传感器连接，用于对倾角传感器做重力加速度计修正，减少不同位置的重力加速度不同对倾角传感器测量值得影响。

作为本实用新型的一种优选方案，所述GPS单元与倾角传感器、处理器连接，用于给出位置、速度信息，由处理器根据预设的GPS天线距离，解算出航向角度信息，并输出横滚、俯仰、航向三维姿态角度信息。

作为本实用新型的一种优选方案，所述GPS单元与倾角传感器、处理器连接，用于给出位置信息、速度信息，由处理器通过232输出接口、或485输出接口、或422输出接口、或CAN接口输出，配合好用户上位机，绘制出测量体的运动轨迹。

作为本实用新型的一种优选方案，所述GPS单元给出时间信息，由处理器将每一时刻的三维姿态信息与时间信息打包为一个数据帧，便于实时测量、数据同步融合。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的数字化智能倾斜仪，能够提供航向、横滚、俯仰角度测量，能够满足工业应用、研究所及军工单位的测量应用需求。同时，本实用新型将GPS与倾角传感器完美结合在一起，实现强大的测量功能，能够提供载体的轨迹、位置、及辅助重力加速度计的修正、时间信息、航向角等，相对于现有的同类数字倾斜仪有明显优势。

本数字倾斜仪能够提供丰富的接口，如数字量RS232、RS485、RS422、CAN，LCD显示，数字接口软件协议可选，如Modbus,CAN2.0a或Can2.0b等，模拟量电压和电流，模拟量输出范围可设置。

此外，本实用新型数字倾斜仪内部软件集成了自标定算法，能够在外部简单的操作实现数字倾斜仪本身数字自动标定。

附图说明

图1为本实用新型数字化智能倾斜仪的组成示意图。

图2为本实用新型倾斜仪测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

实施例一

本实用新型揭示了一种数字化智能倾斜仪，包括倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台、电源系统、GPS单元。倾角传感器用以提供高分辨率的倾斜角度；滤波单元与所述倾角传感器连接，用以对所述倾角传感器输出的模拟信号进行滤波；处理器与所述滤波单元连接，用以对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，达到真实地反映出倾角输出信息，并对数字处理后的信号进行角度转换；数显分度转台与所述处理器连接，用以对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；所述处理器进一步利用数显分度转台计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿；电源系统与所述倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台连接，用以提供电源；GPS单元与所述处理器连接，提供载体运动轨迹、位置、及辅助重力加速度计的修正、时间信息、航向角。GPS单元包括GPS主体11、GPS天线12。

请参阅图1，本实施例中，所述倾斜仪包括核心高精度MEMS倾角传感器1、硬件滤波单元2、电源系统3、内置24Bit模数转化单元AD的MCU 4、数显分度转台（图未示）、多个输出接口（包括232输出接口5、485输出接口6、422输出接口7、V/I输出接口8、LCD输出接口9、CAN接口10）。所述MCU4连接硬件滤波单元2、电源系统3、数显分度转台、各输出接口，所述电源系统3连接倾角传感器1、硬件滤波单元2、数显分度转台、各输出接口。所述GPS主体11连接MCU 4、GPS天线12。

核心高精度MEMS倾角传感器1可以提供很高的角度分辨率，通过硬件滤波2对高精度MEMS倾角传感器1输出模拟信号带宽内滤波，内置24BitAD的 MCU对核心高精度MEMS倾角传感器1输出的模拟信号进行高精度模数转换，在MCU内部软件内作数字信号滤波，达到真实地反映出倾角输出信息。

内置24bit AD的MCU 4对GPS单元(GPS11、GPS天线12)获取位置、时间、速度信息，根据位置信息解出当地重力加速度值，使用当地重力加速度值修正重力加速度变化对倾斜仪测量精度的影响。根据时间信息将每一次测量的角度信息贴上时间标签，便于相对实时地观测数据。根据位置、速度信息解算出倾斜仪的航向角度信息。

内置24bit AD的MCU 4会对数字处理后信号进行角度转换，然后会利用外部高精度的数显分度转台对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试。内置24bit AD的MCU 4利用内部最小二乘法算法对在线测试数据运算，计算出合适的线性标定系数，并存储于MCU内部开辟的Flash Data存储空间。每一次测量后,内置24bit AD的MCU 4利用事先计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿，达到提高倾角测量的线性度的目的。

所述处理器的线性补偿方法包括：对一组标准值a₁,a₂,a₃，...,a_k，和对应该组标准值的实际测量所得一组值b₁,b₂,b₃，...,b_k，根据两组值拟合出一个多项式a_i＝F(b_i),i＝1...k,即f＝k₀+k₁C+k₂C²+k₃C³+...+k_mC^m，k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m为多项式系数，C＝a₁，a₂,a₃，...,a_k；利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀，k₁,k₂,k₃,...,k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该多项式对采集的数据进行多项式计算，即数据补偿。

如图1所示，电路内部设置有232输出接口5、485输出接口6、422输出接口7、V/I输出接口8、LCD输出接口9、CAN接口10，提供多种输出接口，其中电路内部构造232输出接口5、485输出接口6、422输出接口7可根据用户需要定制通信协议或按照标准协议提供输出，如ModBus等；CAN接口10可实现Can2.0a/b或Can Open协议输出。V/I输出接口8能够提供电压和电流输出，输出电压可单极性或双极性，输出电压范围达-10VDC～+10VDC，可通过软件内部调整电压输出范围。电流输出可达0～24mA范围，电流输出范围可通过软件内部调整。

此外，所述数字化智能倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂和灵敏度温漂做补偿。利用外部设备高低温实验箱对核心高精度MEMS倾角传感器1作温度补偿测试(灵敏度温漂、零点温漂)，内置24bitMCU 4利用内部最小二乘法算法对在线对测试数据处理、运算，计算出温度补偿系数，并存储于内部开辟的存储空间内，以后每-次测量数据输出都会被温度补偿系数修正，能够很好地降低温度对传感器的影响。

零点温漂补偿方法包括：对倾斜仪的零点输出做温度试验，测量出倾斜仪的零点输出受温度影响的变化，利用最小二乘法拟合出零点输出与温度变化之间的多项式关系式，Z＝Z(T)，即Z(T)＝k₀+k₁T+k₂T²+k₃T³+...+k_mT^m，其中，k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m为多项式系数；利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_n，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该关系式对零点输出做补偿。

灵敏度温漂补偿方法包括：对倾斜仪的灵敏度做温度试验，测量出倾斜仪的灵敏度受温度影响的变化，利用最小二乘法拟合出灵敏度与温度变化之间的多项式关系式，S=S（T），即S(T)＝k₀+k₁T+k₂T²+k₃T³+...+k_mT^m，其中，k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m为多项式系数；利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀,k₁,k₂,k₃，...,k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该关系式对灵敏度做补偿。

上述三个补偿步骤使用了最小二乘法；三个补偿步骤中，多项式的系数k₀,k₁,k₂,k₃,...k_n根据实际情况计算，在三个补偿步骤中多项式的系数k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m并不要求相等。

以上介绍了本实用新型数字化智能倾斜仪的组成，本实用新型在揭示上述具有GPS功能的数字化智能倾斜仪的同时，还揭示一种上述数字化智能倾斜仪的测量方法；请参阅图2，所述测量方法包括如下步骤：

【步骤S1】倾角传感器提供高分辨率的倾斜角度，滤波单元对倾角传感器输出的模拟信号滤波；

【步骤S2】处理器对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，达到真实地反映出倾角输出信息；

【步骤S3】处理器对数字处理后的信号进行角度转换，利用外部高精度的数显分度转台对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试，所述处理器利用最小二乘法算法对在线测试数据运算，计算出合适的线性标定系数，并存储于处理器内的存储空间；

【步骤S4】每一次测量后,处理器利用事先计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿，达到提高倾角测量的线性度的目的。

【步骤S5】每一次测量后,处理器根据位置信息解出当地重力加速度值，使用当地重力加速度值修正重力加速度变化，达到提高对倾斜仪测量精度的目的。

【步骤S6】每一次测量后,处理器根据位置、速度信息解算出倾斜仪的航向角度信息，达到提供倾斜仪测量航向角度的目的。

【步骤S7】每一次测量后,处理器根据时间信息将每一次测量的角度信息贴上时间标签，达到便于相对实时地观测数据的目的。

综上所述，本实用新型提出的数字化智能倾斜仪，能够提供航向、横滚、俯仰角度测量，能够满足工业应用、研究所及军工单位的测量应用需求。同时，本实用新型将GPS与倾角传感器完美结合在一起，实现强大的测量功能，能够提供载体的轨迹、位置、及辅助重力加速度计的修正、时间信息、航向角等，相对于现有的同类数字倾斜仪有明显优势。

本实用新型数字化智能倾斜仪硬性好、不易变形、耐高低温、密封性好；同时能够提供丰富的接口，如数字量RS232、RS485、RS422、CAN，LCD显示，数字接口软件协议可选，如Modbus,CAN2.0a或Can2.0b等，模拟量电压和电流，模拟量输出范围可设置。

这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims

1.一种数字化智能倾斜仪，其特征在于，所述倾斜仪包括：

倾角传感器，用以生成倾斜角度的模拟信号，并予以输出；

2.根据权利要求1所述的数字化智能倾斜仪，其特征在于：

所述GPS单元包括：

GPS天线；

3.根据权利要求1所述的数字化智能倾斜仪，其特征在于：

所述滤波单元为硬件滤波单元，用以对倾角传感器输出的模拟信号带宽内滤波。

4.根据权利要求1所述的数字化智能倾斜仪，其特征在于：

所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂做补偿。

5.根据权利要求1所述的数字化智能倾斜仪，其特征在于：

所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的灵敏度温漂做补偿。

6.根据权利要求1所述的数字化智能倾斜仪，其特征在于：

所述倾斜仪进一步包括232输出接口、485输出接口、422输出接口、V/I输出接口、LCD输出接口、CAN接口；

所述处理器为内置24bit模数转化单元AD的MCU。

7.根据权利要求1所述的数字化智能倾斜仪，其特征在于：

所述GPS单元与倾角传感器连接，用于对倾角传感器做重力加速度计修正，减少不同位置的重力加速度不同对倾角传感器测量值得影响。

8.根据权利要求1所述的数字化智能倾斜仪，其特征在于：

所述GPS单元与倾角传感器、处理器连接，用于给出位置、速度信息，由处理器根据预设的GPS天线距离，解算出航向角度信息，并输出横滚、俯仰、航向三维姿态角度信息。

9.根据权利要求1所述的数字化智能倾斜仪，其特征在于：

所述GPS单元与倾角传感器、处理器连接，用于给出位置信息、速度信息，由处理器通过232输出接口、或485输出接口、或422输出接口、或CAN接口输出，配合好用户上位机，绘制出测量体的运动轨迹。