專利名稱：一種便攜式的數(shù)字化高精度傾角測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種便攜式的數(shù)字化高精度傾角測量儀。
背景技術(shù)：
在建筑，橋梁建設(shè)等行業(yè)里，傾角的測量是必備的一個環(huán)節(jié)。有很多情況下，還在 使用傳統(tǒng)的傾角測量工具，這種工具往往是指針式的，操作人員在讀數(shù)的時候往往需要估 讀，再加上指針式傾角測量工具本身的精度不夠高，使得測量結(jié)果有著比較大的偏差，而且 這種測量工具往往體積比較大，攜帶非常不方便?，F(xiàn)在市場上也有一些數(shù)字式的傾角測量 儀，可以數(shù)字化的顯示測量結(jié)果。這些測量儀在測量原理上采用搖擺式測量方法，缺點(diǎn)是敏 感質(zhì)量存在慣性，使得測量儀抗摔，抗震動性能和實(shí)時性不夠好，在震動比較強(qiáng)烈等環(huán)境中 使用的時候測量結(jié)果就不穩(wěn)定；測量結(jié)果容易受溫度的影響，必須進(jìn)行復(fù)雜的溫度補(bǔ)償算 法，而且有的產(chǎn)品的補(bǔ)償算法往往是近似估計，沒有考慮到不同溫度影響的程度；有的產(chǎn)品 采用單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而不是獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，精度往往不 夠高；也有產(chǎn)品雖然用了單獨(dú)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，但是電源部分沒有經(jīng)過精確處理，電源部分 有波動，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊精度就遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所標(biāo)稱的精度，而且電源的穩(wěn)定性對傳感器的精 度也有很大影響，電源有波動也會導(dǎo)致傳感器精度達(dá)不到所標(biāo)稱的精度。

實(shí)用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的傾角測量裝置的不足，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種便攜式的數(shù)字化高精度傾角測量儀，該傾角測量儀包括依次連接的傳感器、 轉(zhuǎn)換模塊、控制器和顯示模塊；所述的傳感器為雙軸重力加速度傳感器，雙軸重力加速度傳 感器內(nèi)還設(shè)有溫度傳感器；所述的轉(zhuǎn)換模塊為A/D轉(zhuǎn)換模塊。所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊采用16位A/D轉(zhuǎn)換芯片。所述的雙軸重力加速度傳感器的雙軸為X軸和Y軸，并且X軸和Y軸互相垂直。所述雙軸重力加速度傳感器的傾角測量范圍為-90°——90°。一種便攜式的數(shù)字化高精度傾角測量儀的測量方法，該測量方法包括以下步驟Stepl 將傾角測量儀放置在待測物體上；St印2 重力加速度傳感器分別測量X軸和Y軸方向上重力加速度的分量，并將兩 路測量信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，送給A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理，之后再進(jìn)行數(shù)字化濾波；St印3 將數(shù)字化濾波后的結(jié)果通過SPI通訊方式傳輸給控制器進(jìn)行處理；Step4:控制器利用溫度傳感器對測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，將補(bǔ)償后的數(shù)值轉(zhuǎn)換成角度 值用顯示器進(jìn)行顯示。在所述st印2中，所述電壓信號的范圍為0-5V。在所述st印2中，X軸方向上重力加速度的分量表達(dá)式為Gx 二 g_sm(a') = g· si η (9 O0 - β) = g_cc.s(歷Y軸方向上重力加速度的分量表達(dá)式為[0017] 于是,利用Gx ,湯表示的正切值來求得傾斜角度β即 其中，Ox為重力加速度G在X軸上的分量，Gy為重力加速度G在X軸上的分量，g
為重力加速度，α為Y軸與重力加速度方向的夾角,β為1軸與重力加速度方向的夾角。在所述step4中，所述測量結(jié)果的補(bǔ)償過程如下設(shè)溫度傳感器采集到的溫度值為T，測量誤差為Offcorr，傾角測量取值為 Tempvalue,而實(shí)際取值為value,則 于是value = Tempvalue — Offcorr其中，Offcorr為測量誤差，T為溫度值，value為傾角測量的實(shí)際取值，Tempvalue 為傾角測量的測量值。本實(shí)用新型的有益效果是它采用數(shù)字化顯示，方便讀數(shù)；體積小，重量輕，功耗 低，可以用電池供電，便于攜帶；測量精度高；它工作穩(wěn)定，實(shí)時性好，使得傾角測量變得方 便而快捷；抗摔能力和抗震動能力比較強(qiáng)，可以在比較惡劣的環(huán)境中使用；采用雙軸傾角 測量傳感器來測量單軸方向的傾角，可以有效的抑制溫度對測量結(jié)果的影響，再加上軟件 部分的濾波算法，雙重補(bǔ)償模式大大的抑制了溫漂的影響。

圖1是本實(shí)用新型原理結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是傾角測量初始位置示意圖；圖3是傾角測量儀與初始位置成一定角度的示意圖；圖4是測量結(jié)果數(shù)字化濾波流程圖；圖5是本裝置電路圖；圖6是本裝置外形示意圖；其中1為重力加速度傳感器；2為A/D轉(zhuǎn)換模塊；3為控制器；4為顯示模塊；5為 裝置外殼；6為數(shù)碼管；7為指示燈；8為電源開關(guān)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步的說明一種便攜式的數(shù)字化高精度傾角測量儀，該傾角測量裝置采用垂直架構(gòu)的方式， 靈敏軸互相垂直。將該傾角測量儀5平行放置在待測物體上，分別用于測量同一個方向的 傾角，測量結(jié)果分別為相應(yīng)傾角的正弦值和余弦值，然后把結(jié)果相除，得到傾角的正切值， 從而得到所測的傾角。本裝置采用雙軸輸出的重力加速度傳感器1來測量傾角。假設(shè)傳感器的兩個靈敏軸分別為X軸和Y軸，X軸與Y軸在同一平面內(nèi)互相垂直。相應(yīng)的，就有兩條完全相同的加 速度信號傳輸路徑一條用于測量X軸方向上重力加速度的分量；一條用于測量Y軸方向 上的重力加速度分量。當(dāng)傳感器處于水平方向時，X軸和Y軸所形成的平面與重力加速度 方向垂直，此時重力加速度在X軸和Y軸方向的分量都為零。當(dāng)傳感器與水平方向形成一 定夾角時，則X軸與Y軸所形成的平面與重力加速度方向不垂直，則重力加速度會在χ軸和 Y軸方向形成一定的分量，其大小與傾角大小正相關(guān)。此時通過X軸、Y軸上的敏感軸可以 測量到X軸、Y軸上的重力加速度分量。然后通過一定的計算來求出相應(yīng)的傾角值。除了 測量重力加速度之外，還有內(nèi)置的溫度傳感器，對溫度進(jìn)行采集，從而為后續(xù)的溫漂抑制算 法提供參數(shù)，提高溫漂抑制效果。為了抑制溫度對測量結(jié)果的影響，本實(shí)用新型用兩路重力加速度的測量來測量單 路的傾角。令傳感器的初始位置如圖2所示。當(dāng)傳感器與重力加速度方向形成一定夾角時， 如圖3所示。于是
(3)其中，Gz分別為重力加速度G在X軸上的分量，g為重力加速度，α為Y軸與重 力加速度方向的夾角，β為χ軸與重力加速度方向的夾角。因此，傾斜角度β可以用Gx, Gy表示的正切值來求得，即:
(4)其中，Gx，G 分別為重力加速度在X軸和Y軸上的分量，β為X軸與重力加速度 方向的夾角。公式(4)中β的取值范圍可以在-90°到+90°之間。垂直架構(gòu)的傾角測量裝置 使得在180度范圍內(nèi)都有著比較高的精確度和分辨率，滿足了工業(yè)現(xiàn)場對傾角測量范圍和 精確度的要求。另外，由于重力加速度傳感器1具有可重復(fù)性的溫度特性，兩個軸的輸出具 有相同的溫度變化幅度，這對于比值計算不會產(chǎn)生太大的影響，因此，這種測量方式可以有 效的降低溫度對靈敏軸產(chǎn)生的影響。很多控制器3本身帶有A/D轉(zhuǎn)換功能，但是精度往往不高，大部分集成的A/D轉(zhuǎn)換 芯片只能達(dá)到10位的精度。本實(shí)用新型為了提高精度，采用16位獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換芯片。 本系統(tǒng)的電路圖如圖5所示。電源處理芯片對電源進(jìn)行穩(wěn)壓處理，給對電源相當(dāng)敏感的傾 角測量芯片和A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行供電。傾角測量芯片將重力加速度傳感器1的信號轉(zhuǎn)換成 0-5V的電壓信號，送給A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，A/D轉(zhuǎn)換芯片再將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過SPI通訊方 式傳輸給控制器3進(jìn)行處理。敏感軸上的輸出信號由高精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊2轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入相應(yīng)的智能處 理模塊即控制器3當(dāng)中，控制器3中對測量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償處理。本系統(tǒng)所采用的溫度 傳感器經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出來了抑制溫度的近似公式。假設(shè)溫度傳感器采集到的 溫度值為Τ，測量誤差為Offcorr，傾角測量取值為Tempvalue，而實(shí)際取值為value，則
(1)其中，Offcorr為測量誤差，T為溫度值；于是[0050]value = Tsmpvalue - Offcorr⑵其中，value為傾角測量的實(shí)際取值，Tempvalue為傾角測量值。由于本實(shí)用新型可能用于比較惡劣的環(huán)境當(dāng)中，外界各種干擾有可能影響測量結(jié) 果的精度，甚至可能使個別測量結(jié)果產(chǎn)生錯誤。為了進(jìn)一步提高該裝置的工作穩(wěn)定性，我們 對A/D轉(zhuǎn)化的結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化濾波。具體流程圖如圖4所示，對采樣的50個數(shù)值進(jìn)行排序， 然后取其中間的30個結(jié)果進(jìn)行取平均值。對于數(shù)字化濾波之后的測量結(jié)果值，本裝置采用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。對于數(shù)碼 管6的控制，主要由數(shù)據(jù)信號和數(shù)碼管位選擇信號組成。本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描方式，所有的 數(shù)碼管6共用8位數(shù)據(jù)線，利用人的視覺停留現(xiàn)象，20ms內(nèi)將所有的數(shù)碼管6顯示器掃面一 遍，在某一時刻，只有一位亮。本裝置的使用如圖6所示。把裝置的外殼放在需要測量的傾角上，保持外殼與所 測量角度平行，打開電源開關(guān)8，指示燈亮則說明裝置已經(jīng)正常啟動，此時數(shù)碼管6顯示的 數(shù)值即為外殼的傾角。這個數(shù)值會隨著外殼傾斜角度的變化而實(shí)時的變化。
權(quán)利要求一種便攜式的數(shù)字化高精度傾角測量儀，其特征是，該傾角測量儀包括依次連接的傳感器、轉(zhuǎn)換模塊、控制器和顯示模塊；所述的傳感器為雙軸重力加速度傳感器，雙軸重力加速度傳感器內(nèi)還設(shè)有溫度傳感器；所述的轉(zhuǎn)換模塊為A/D轉(zhuǎn)換模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的一種便攜式的數(shù)字化高精度傾角測量儀，其特征是，所述的A/D 轉(zhuǎn)換模塊采用16位A/D轉(zhuǎn)換芯片。
3.如權(quán)利要求1所述的一種便攜式的數(shù)字化高精度傾角測量儀，其特征是，所述的雙 軸重力加速度傳感器的雙軸為X軸和Y軸，并且X軸和Y軸互相垂直。
4.如權(quán)利要求3的便攜式的數(shù)字化高精度傾角測量儀，其特征是，所述雙軸重力加速 度傳感器的傾角測量范圍為_90° — 90°。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種便攜式的數(shù)字化高精度傾角測量儀。用重力加速度傳感器測量靈敏軸方向的加速度分量，間接反應(yīng)傾角的大小，測量結(jié)果由專門的高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，測量結(jié)果由控制器進(jìn)行濾波處理，并用數(shù)碼管進(jìn)行顯示。該裝置體積小，重量輕，可以采用電池供電，便于攜帶；可以有效抑制溫度對測量結(jié)果的影響；具有比較強(qiáng)的抗震動能力；測量精度與傳統(tǒng)測量儀相比有很大提高。
文檔編號G01C9/00GK201688837SQ20102019401
公開日2010年12月29日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者喬旭興, 劉海法, 鄭鵬飛, 陳曉軍, 陳清玫, 馬思樂 申請人:山東大學(xué)