CN209432052U - 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：十字型支架、圆盘、加速度传感器、模数转换器、微处理器。十字型支架包括横杆和纵杆，所述纵杆平行于测量倾斜角的基准面。圆盘固定在所述纵杆的一端且所述横杆通过支撑柱支撑所述圆盘。加速度传感器固定在所述圆盘的中心位置。模数转换器与所述加速度传感器相连接。微处理器与所述模数转换器相连接，用于将所述模数转换器输出的数字信号进行处理从而获得被测平面的倾斜角。根据本实用新型的倾角测量装置能够进行灵敏度和零位校准，提高测量准确度。

Description

倾角测量装置

技术领域

本实用新型是关于检测技术领域，特别是关于一种倾角测量装置。

背景技术

倾角传感器是测量倾斜角的装置，目前许多工程应用中都需要对倾角进行测量，并将这些测量值用于对系统的监测或控制。

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开电极，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。

现有技术的倾斜角测量装置都没有涉及对灵敏度和零位偏差进行校准，由于测量电路、敏感元件等不可避免地存在温度和时间漂移，将给整个仪器引入灵敏度漂移和零位漂移，因此对灵敏度和零位进行校准是保证测量准确的必要工作。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种倾角测量装置，其能够进行灵敏度和零位校准，提高测量准确度。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种倾角测量装置，其包括：十字型支架、圆盘、加速度传感器、模数转换器、微处理器。十字型支架包括横杆和纵杆，所述纵杆平行于测量倾斜角的基准面。圆盘固定在所述纵杆的一端且所述横杆通过支撑柱支撑所述圆盘。加速度传感器固定在所述圆盘的中心位置。模数转换器与所述加速度传感器相连接。微处理器与所述模数转换器相连接，用于将所述模数转换器输出的数字信号进行处理从而获得被测平面的倾斜角。

在一优选的实施方式中，所述加速度传感器为电容式的加速度传感器。

在一优选的实施方式中，所述圆盘上设置有角度刻度。

在一优选的实施方式中，所述倾角测量装置还包括步进电机和步进电机驱动器。步进电机的旋转轴安装在所述纵杆的另一端；步进电机驱动器与所述步进电机相连，用于驱动所述步进电机。

在一优选的实施方式中，所述步进电机驱动器的信号输入端与所述微处理器相连接，所述微处理器还用于控制所述步进电机驱动器。

与现有技术相比，根据本实用新型的倾角测量装置，加速度传感器固定在圆盘中心位置，通过支架来支撑圆盘，转动纵杆可以带动圆盘转动。该倾斜角测量装置上电启动后首先读取第一位置的传感器芯片输出的电压值，然后转动纵杆使得圆盘转动一个标准角度θ(-15°≤θ≤15°)，这时传感器芯片相对于第一位置抬高了角度θ，延时一段时间之后，读取第二位置的传感器芯片输出电压值，将第二输出电压值与第一输出电压值的差值除以角度θ，即可以计算出传感器芯片的灵敏度值。再次转动纵杆使得圆盘转至相对第一位置180°的第三位置，延时一段时间，读取第三位置的传感器芯片输出电压值，根据第一输出电压值和第三输出电压值的和计算出传感器芯片的零位偏差电压，此后，将圆盘反向旋转180°，再次延时一定时间之后进入正式测量。通过对该倾角测量装置进行上述操作，能够进行灵敏度和零位校准，并且提高测量准确度。另外，通过增加步进电机来带动纵杆转动，可以便于控制旋转角度。此外，还将步进电机与微控制器建立连接，微控制器可以控制步进电机的操作，使得该倾角测量装置使用更加方便。

附图说明

图1是根据本实用新型一实施方式的基于“固体摆”的电容式倾角传感器的结构示意图；

图2是根据本实用新型一实施方式的倾角测量装置的结构示意图；

图3是根据本实用新型一实施方式的灵敏度校准和零位校准过程的示意图；

图4是根据本实用新型一实施方式的倾角测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

为了克服现有技术的问题，发明人在实现本实用新型的过程中，针对灵敏度校准和零位校准进行了深入思考和研究。首先关于灵敏度方面，灵敏度是输出变化量与输入变化量之比，当输出与输入关系为线性时，灵敏度为输出与输入之比。发明人发现在±15°的倾角范围内，倾角传感器的灵敏度基本为输出与输入之比，其中，该倾角传感器包括基于“固体摆”的电容式加速度传感器12、基于“液体摆”或“气体摆”的倾角传感器。

以下基于“固体摆”的电容式加速度传感器来简单说明下对灵敏度的研究过程。

图1为一种基于“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K，悬臂梁K上连接上一活动极板C1，活动极板C1位于两块固定极板C2之间。为便于说明，将图1中的悬臂梁K简化为具有一定阻尼的弹性系统。物体m的重力使悬臂梁K产生变形，对于不同的倾斜角，存在与之相对应的悬臂梁K变形量。随着悬臂梁K在重力的作用下发生变形，活动极板C1相应地在两块固定极板C2之间移动，活动极板C1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，即可获知倾斜角φ的大小。

如图1所示，当倾斜角为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K的端部产生位移x：

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：

其中K_p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U后的最终输出结果Vo为：

在±15°小角度范围内测量时，可以认为Vo与φ成线性关系，即

令则Sen为所述倾角传感器的灵敏度，式(4)可以简化为：

V_O＝Sen·φ (5)

另外，关于零位校准方面，发明人从一种水泡尺在被测物体表面旋转180度找平的古老办法中获得启发。

基于上述思考，发明人设计了一种倾角测量装置，其能够进行灵敏度和零位校准，提高测量准确度。

图2是根据本实用新型一实施方式的倾角测量装置，其包括十字型支架10、圆盘11、加速度传感器12、模数转换器13、微处理器14。十字型支架10包括横杆10a和纵杆10b，纵杆10b平行于测量倾斜角的基准面。圆盘11固定在纵杆10b的一端且横杆10a通过支撑柱P支撑圆盘11，圆盘11垂直于测量倾斜角的基准面。加速度传感器12固定在圆盘11的中心位置。模数转换器13与加速度传感器12相连接。微处理器14与模数转换器13相连接，用于将模数转换器13输出的数字信号进行处理从而获得被测平面的倾斜角。优选地，圆盘11上设置有角度刻度。

具体地，加速度传感器12为电容式的加速度传感器，例如基于“固体摆”的电容式加速度传感器、基于“液体摆”或“气体摆”的倾角传感器等。

如图3所示，该倾斜角测量装置上电启动后首先读取第一位置的加速度传感器12输出的电压值，然后通过手动方式操作纵杆10b将圆盘11旋转一标准角度θ(-15°≤θ≤15°)，再次记录加速度传感器12在第二位置时的输出电压。当加速度传感器12处于水平状态时，理论上加速度传感器12的输出电压为零，实际上加速度传感器12存在零位漂移，会有一个零位偏差电压V_ψ，所以在第一位置和第二位置的输出电压分别为：

由式(7)减去式(6)得：

ΔV＝V₂-V₁＝Sen·(φ₂-φ₁)＝Sen·θ (8)

由式(8)得：

由式(9)可以求出灵敏度Sen的值，将灵敏度Sen应用于后续测量，即可完成灵敏度的校准。

灵敏度校准之后，继续将圆盘11旋转到相对于第一位置180°的第三位置处，记录加速度传感器12的输出电压，则加速度传感器12在第一位置和第三位置的输出电压分别为：

将式(10)加上式(11)除以2得：

从式(12)中可以看出，通过测量第一位置和第三位置处传感器的输出电压，可以得到零位偏差电压V_ψ，在后续测量中，将测量电压值减去零位偏差电压值，就可以得到真实的电压值，通过式(5)，就可以反算出真实的角度值，从而完成零位校准。

在实际应用过程中，必须满足以下的基本条件：在第一位置、第二位置和第三位置时的圆盘11处于同一平面内；在自动校准时，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，应当使圆盘11在第一位置、第二位置及第三位置保持一定的时长，例如可以延时0.1～0.5S，以使传感器的输出达到平衡状态。

在完成灵敏度和零位校准之后，该倾角测量装置可以进入正常测量过程，微处理器14按照现有的程序进行倾角计算，然后通过RS-232或者其他接口输出测量面的倾斜角值。该微处理器14可以选用常见的8051、8080、8086等系列的微处理器。

优选地，为了便于操纵纵杆10b的转动，在如图4所示的其他的实施方式中，倾角测量装置还包括步进电机15和步进电机驱动器16，将步进电机15的旋转轴安装在纵杆10b的另一端，步进电机15在步进电机驱动器16的驱动下，其旋转轴转动从而带动纵杆10b以及圆盘11旋转一定的角度。可选地，将步进电机驱动器16的信号输入端与微处理器14相连接，通过微处理器14来控制步进电机驱动器16，使得校准过程的操作更加便捷。

前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (2)

1.一种倾角测量装置，其特征在于，包括：

十字型支架，包括横杆和纵杆，所述纵杆平行于测量倾斜角的基准面；

圆盘，固定在所述纵杆的一端且所述横杆通过支撑柱支撑所述圆盘；

加速度传感器，固定在所述圆盘的中心位置；

模数转换器，与所述加速度传感器相连接；以及

微处理器，与所述模数转换器相连接，用于将所述模数转换器输出的数字信号进行处理从而获得被测平面的倾斜角，

其中，所述圆盘上设置有角度刻度；

所述倾角测量装置还包括：步进电机和步进电机驱动器，所述步进电机的旋转轴安装在所述纵杆的另一端；所述步进电机驱动器与所述步进电机相连，用于驱动所述步进电机；

所述步进电机驱动器的信号输入端与所述微处理器相连接，所述微处理器还用于控制所述步进电机驱动器。

2.如权利要求1所述的倾角测量装置，其特征在于，所述加速度传感器为电容式的加速度传感器。