CN203148430U - 一种Wi-Fi无线智能倾斜仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种Wi-Fi无线智能倾斜仪，包括倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台、Wi-Fi无线模块。倾角传感器用以提供高分辨率的倾斜角度；滤波单元用以对倾角传感器输出的模拟信号进行滤波；处理器用以对经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内做数字信号滤波，并对数字处理后的信号进行角度转换；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；Wi-Fi无线模块用以提供Wi-Fi无线传输方式，结合无线路由器和上位机实现多Wi-Fi无线传感器节点组网。本实用新型可提供横滚、俯仰姿态角度，利用Wi-Fi无线模块以无线传输的方式，解决有线传输带来的不便，同时提供电源能量管理，使无线传输的优势发挥最大。

Description

一种Wi-Fi无线智能倾斜仪

技术领域

本实用新型属于测量技术领域，涉及一种智能倾斜仪，尤其涉及一种Wi-Fi无线智能倾斜仪。

背景技术

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；Wi-Fi无线模块一般被外置在传感器外部，用于传感器信号的Wi-Fi无线传输；它们分别独立的。

通常下，数字化倾斜仪能够测量横滚、俯仰的姿态角度并通过有线的方式传输。Wi-Fi无线传输会涉及到电源功耗瓶颈，特别Wi-Fi无线传输功耗要求较高，使得Wi-Fi无线传输时倾斜仪电源持续供电时间较短。

对于现有基于重力加速度原理的倾斜仪的有线传输方式及无线传输的电源功耗已满足不了测量的要求，单个倾斜仪外加大用量蓄电池使得测量过程变得笨重，给测量带来极大的不便。将Wi-Fi无线模块、电源能量管理与倾斜仪创新地结合在一起，减少使用者的负担，在有些应用场所，如大坝监测、平面度测量等测量领域具有明显的技术优势和应用价值。

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Wi-Fi无线智能倾斜仪，可提供横滚、俯仰姿态角度，利用Wi-Fi无线模块以Wi-Fi无线传输的方式，解决有线传输带来的不便，同时提供电源能量管理，使Wi-Fi无线传输的优势发挥最大。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种Wi-Fi无线智能倾斜仪，所述倾斜仪包括：

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，在处理器内做数字信号滤波，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；

Wi-Fi无线模块，与所述处理器连接，用以提供Wi-Fi无线传输方式，结合无线路由器和上位机实现多Wi-Fi无线传感器节点组网；

电源系统，与所述倾角传感器、滤波单元、处理器、Wi-Fi无线模块连接，用以提供电源；所述电源系统包括能量管理系统，用以提供电源能量监控，根据实际测量类需求，对功耗做管理，满足对一次测量时间的要求。

作为本实用新型的一种优选方案，所述Wi-Fi无线模块为内置模块，通过数字串行接口与处理器连接。

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Wi-Fi无线模块与处理器连接，将倾斜仪测量的角度信息以Wi-Fi无线的方式传输至接收终端、或中继端，可配合组成Wi-Fi无线传感器网络。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的无线智能倾斜仪，可提供横滚、俯仰姿态角度，利用Wi-Fi无线模块以无线传输的方式，解决有线传输带来的不便，同时提供电源能量管理，使Wi-Fi无线传输的优势发挥最大。

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为本实用新型无线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Wi-Fi无线智能倾斜仪，包括倾角传感器、数显分度转台、滤波单元、处理器、电源系统、Wi-Fi无线模块。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；Wi-Fi无线模块，与所述处理器连接，用以提供Wi-Fi无线传输方式；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、Wi-Fi无线模块连接，用以提供电源。

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、内置电池电源系统3、内置24Bit模数转化单元AD的MCU4、Wi-Fi无线模块5。所述MCU4连接硬件滤波单元2、内置电池电源系统3、数显分度转台、Wi-Fi无线模块5，所述内置电池电源系统3连接倾角传感器1、硬件滤波单元2、数显分度转台、Wi-Fi无线模块5。所述Wi-Fi无线模块5连接MCU4。

核心高精度MEMS倾角传感器1可以提供很高的角度分辨率，通过硬件滤波单元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。

Wi-Fi无线模块5获取倾斜仪的横滚、俯仰姿态信息，以Wi-Fi无线的方式传输。

内置24bit AD的MCU4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MCU4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MCU4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，所述内置电池电源系统3给所述倾角传感器1、滤波单元2、处理器、Wi-Fi无线模块5供电；所述电源系统包括能量管理系统EMS，用以提供电源能量监控，根据实际测量类需求，对功耗做管理，满足对一次测量时间的要求。

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24bitMCU4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与Wi-Fi无线模块结合的无线传输方式的测量方法；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,Wi-Fi无线模块获取倾斜仪横滚、俯仰等姿态信息，并以Wi-Fi无线方式传输，以达到Wi-Fi无线方式传输的目的。

【步骤S6】根据测量频率、工作模式倾斜仪以何种方式进行电源能量管理，以达到降低功耗、更持久供电的目的。

综上所述，本实用新型提出的智能倾斜仪，可提供横滚、俯仰姿态角度，利用Wi-Fi无线模块以Wi-Fi无线传输的方式，解决有线传输带来的不便，同时提供电源能量管理，使Wi-Fi无线传输的优势发挥最大。

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；

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。

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 (7)

1.一种Wi-Fi无线智能倾斜仪，其特征在于，所述倾斜仪包括：

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，在处理器内做数字信号滤波，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；

Wi-Fi无线模块，与所述处理器连接，用以提供Wi-Fi无线传输方式，结合无线路由器和上位机实现多Wi-Fi无线传感器节点组网；

电源系统，与所述倾角传感器、滤波单元、处理器、Wi-Fi无线模块连接，用以提供电源；所述电源系统包括能量管理系统，用以提供电源能量监控，根据实际测量类需求，对功耗做管理，满足对一次测量时间的要求。

2.根据权利要求1所述的Wi-Fi无线智能倾斜仪，其特征在于：

所述无线模块为内置模块，通过数字串行接口与处理器连接。

3.根据权利要求1所述的Wi-Fi无线智能倾斜仪，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Wi-Fi无线智能倾斜仪，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Wi-Fi无线智能倾斜仪，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Wi-Fi无线智能倾斜仪，其特征在于：

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Wi-Fi无线智能倾斜仪，其特征在于：

所述Wi-Fi无线模块与处理器连接，将倾斜仪测量的角度信息以Wi-Fi无线的方式传输至接收终端、或中继端，配合组成Wi-Fi无线传感器网络。

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