一種對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀的制作方法
【專利摘要】一種對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀，包括分別置于電路板正反面的正貼傾角敏感元件和反貼傾角敏感元件，與兩者依次連接的信號(hào)差分放大模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，與數(shù)據(jù)采集模塊連接的液晶顯示模塊和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊；利用信號(hào)差分放大模塊先分別對(duì)兩個(gè)傾角傳感器敏感元件輸出的模擬電壓進(jìn)行放大，作差后的模擬電壓信號(hào)經(jīng)由數(shù)據(jù)采集模塊A/D轉(zhuǎn)換后換算成傾角值，通過(guò)液晶顯示模塊和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊分別顯示和輸出；一方面，信號(hào)差分放大模塊有效的提高了單個(gè)傾角傳感器敏感元件的分辨率；另一方面，兩個(gè)對(duì)貼式放置的傾角敏感元件敏感方面相反，輸出傾角值也相反，將兩個(gè)傾角值作差后，分辨率再次提高了一倍；同時(shí)兩個(gè)傾角敏感元件的溫度漂移方向一致，作差后可以非常有效的抑制溫度漂移，提高了長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及測(cè)量精度。
【專利說(shuō)明】一種對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傾角測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，如測(cè)量機(jī)床儀器導(dǎo)軌的直線度、高精度設(shè)備安裝、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、姿態(tài)自適應(yīng)控制等，常常需要對(duì)傾角進(jìn)行測(cè)量。目前傾角測(cè)量方法多種多樣，但是角秒量級(jí)測(cè)量?jī)x器如光學(xué)自準(zhǔn)直儀、激光干涉測(cè)角儀和氣泡水平儀等售價(jià)昂貴，無(wú)法在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出一大批全數(shù)字式智能傾角傳感器，隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，基于MEMS加速度計(jì)的差動(dòng)式傾角傳感器日益完善，其小型化，性能高，高精度的優(yōu)勢(shì)在科研領(lǐng)域和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，傾角傳感器在實(shí)際運(yùn)用中存在分辨率不高，非線性誤差和溫度漂移的問(wèn)題，精度受其影響存在測(cè)量誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀，具有非常有效的提高分辨率，解決溫漂問(wèn)題，從而提高精度的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]一種對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀，包括分別置于電路板正反面的正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3，所述正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3和信號(hào)差分放大模塊4的輸入端相連接，所述信號(hào)差分放大模塊4的輸出端和數(shù)據(jù)采集模塊5的輸入端相連接，所述數(shù)據(jù)采集模塊5的輸出端分別連接液晶顯示模塊6和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊7，還包括為整個(gè)傳感儀供電的電源供電模塊I ;所述正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3分別敏感各自的重力加速度信號(hào)，并將重力加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路模擬電壓信號(hào)，傳輸模擬電壓信號(hào)給所述的信號(hào)差分放大模塊4，所述信號(hào)差分放大模塊4分別將正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3輸出的兩路模擬電壓信號(hào)進(jìn)行差分放大分別得到正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3的模擬差分電壓值，所述的信號(hào)差分放大模塊4再次將正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3的兩路模擬電壓值作差，并將得到的模擬電壓值傳輸?shù)剿龅臄?shù)據(jù)采集模塊5，所述的數(shù)據(jù)采集模塊5通過(guò)A/D采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，換算成角度值并傳輸?shù)剿鲆壕э@示模塊6和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊7顯示和輸出。換算出的傾角值是敏感于重力加速度的傾角值，是相對(duì)于水平面絕對(duì)傾角值，在使用過(guò)程中，傾角值的變化量是測(cè)量重點(diǎn)，在換算出來(lái)的傾角值的基礎(chǔ)上減去初始位置的絕對(duì)傾角值就得到相對(duì)于初始位置的相對(duì)傾角值，利于測(cè)量與觀察。
[0006]所述正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3為能夠正反使用的基于MEMS加速度計(jì)的差動(dòng)式貼片傾角傳感器。
[0007]所述正貼傾角敏感元件2所放的位置在電路板上面板正貼水平放置，反貼傾角敏感元件3在正貼傾角敏感元件2放置基礎(chǔ)上繞著與敏感方向水平垂直的方向旋轉(zhuǎn)180°后，放置于電路板下面板反貼，且正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3的位置在一個(gè)豎
直平面。
[0008]所述藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊7從數(shù)據(jù)采集模塊5獲得角度數(shù)字信號(hào)后，將絕對(duì)傾角值和相對(duì)傾角值的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給用戶的藍(lán)牙手機(jī)或者其他藍(lán)牙接收模塊；同時(shí)接收用戶發(fā)送的清零指令，將相對(duì)傾角值復(fù)位為零，絕對(duì)傾角值不變。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0010]1、本發(fā)明的對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀通過(guò)將兩個(gè)傾角敏感元件對(duì)貼式布置，可以同時(shí)測(cè)量出同一方向的兩個(gè)相反的傾角值，當(dāng)傾角傳感儀從水平面發(fā)生的傾斜的時(shí)候，兩個(gè)傾角敏感元件輸出的電壓信號(hào)一個(gè)為正值且持續(xù)增大，另外一個(gè)輸出為負(fù)值且持續(xù)減小。將這兩路模擬電壓信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)差分放大模塊。信號(hào)差分放大模塊首先對(duì)單一傾角敏感元件輸出的模擬電壓值進(jìn)行放大，提高單一傾角敏感元件的分辨率。其次，由于兩個(gè)傾角敏感元件輸出模擬電壓相反，信號(hào)差分放大模塊將兩個(gè)傾角敏感元件差分放大后的模擬電壓值進(jìn)行作差后得到傾角的雙倍模擬電壓值，因此分辨率再次提高一倍，配合高性能的傾角敏感元件如SCA103T-D04，可以將系統(tǒng)的分辨率達(dá)到3"，精度在1°范圍內(nèi)優(yōu)于 ±3"。
[0011]2、本發(fā)明的對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀由于兩個(gè)傾角敏感元件對(duì)貼式放置，兩個(gè)傾角敏感元件的溫度漂移方向是一致的。信號(hào)差分放大模塊將兩個(gè)傾角敏感元件輸出的模擬電壓作差后可以很好的消除掉溫度漂移為主的共模噪聲，省去了溫度補(bǔ)償。
[0012]3、本發(fā)明的對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀分辨率高，精度高,溫度漂移小,穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明的對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀原理示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明的對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0015]圖3為本發(fā)明的對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀的分辨率數(shù)據(jù)圖。
[0016]圖4為本發(fā)明的對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀的精度數(shù)據(jù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例題，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明一種對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀，包括分別置于電路板正反面的正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3，所述正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3和信號(hào)差分放大模塊4的輸入端相連接，所述信號(hào)差分放大模塊4的輸出端和數(shù)據(jù)采集模塊5的輸入端相連接，所述數(shù)據(jù)采集模塊5的輸出端分別連接液晶顯示模塊6和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊7，還包括為整個(gè)傳感儀供電的電源供電模塊I ;所述正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3分別敏感各自的重力加速度信號(hào)，并將重力加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路模擬電壓信號(hào)，傳輸模擬電壓信號(hào)給所述的信號(hào)差分放大模塊4，所述信號(hào)差分放大模塊4分別將正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3輸出的兩路模擬電壓信號(hào)進(jìn)行差分放大分別得到正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3的模擬差分電壓值，所述的信號(hào)差分放大模塊4再次將正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3的兩路模擬電壓值作差，并將得到的模擬電壓值傳輸?shù)剿龅臄?shù)據(jù)采集模塊5，所述的數(shù)據(jù)采集模塊5通過(guò)A/D采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，換算成角度值并傳輸?shù)剿鲆壕э@示模塊6和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊7顯示和輸出；換算出的傾角值是敏感于重力加速度的傾角值，是相對(duì)于水平面絕對(duì)傾角值，在使用過(guò)程中，傾角值的變化量是測(cè)量重點(diǎn)，在換算出來(lái)的傾角值的基礎(chǔ)上減去初始位置的絕對(duì)傾角值就得到相對(duì)于初始位置的相對(duì)傾角值，利于測(cè)量與觀察。本實(shí)施例電源供電模塊I包含由兩個(gè)12V蓄電池構(gòu)成的±12V的直流電壓為整個(gè)傾角傳感器系統(tǒng)供電，同時(shí)將+12V利用兩個(gè)串聯(lián)的2.5V基準(zhǔn)電壓芯片轉(zhuǎn)換成紋波噪聲很低的+5V直流電壓為所述的正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3供電。
[0019]所述正貼傾角敏感元件2所放的位置在電路板上面板正貼水平放置，反貼傾角敏感元件3在正貼傾角敏感元件2放置基礎(chǔ)上繞著與敏感方向水平垂直的方向旋轉(zhuǎn)180°后，放置于電路板下面板反貼，且正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3的位置保證在一個(gè)豎直平面。
[0020]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3為能夠正反使用的基于MEMS加速度計(jì)的差動(dòng)式貼片傾角傳感器。
[0021]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊7從數(shù)據(jù)采集模塊5獲得角度數(shù)字信號(hào)后，將絕對(duì)傾角值和相對(duì)傾角值的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給用戶的藍(lán)牙手機(jī)或者其他藍(lán)牙接收模塊；同時(shí)接收用戶發(fā)送的清零指令，將相對(duì)傾角值復(fù)位為零，絕對(duì)傾角值不變。
[0022]如圖2所示，為本發(fā)明對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀的結(jié)構(gòu)組成示意圖，包括底板11，固定在底板11上的外殼8，置于外殼8內(nèi)、固定在底板11上的電路板10，電路板10上包含信號(hào)差分放大模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊驅(qū)動(dòng)和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊，電路板10上固定液晶顯示屏9,其中正貼傾角敏感元件2正貼與電路板10上面板,反貼傾角敏感元件3反貼于電路板10下面板。
[0023]如圖3所示，為本發(fā)明對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀的分辨率數(shù)據(jù)圖，其中實(shí)線為光學(xué)自準(zhǔn)直儀3"步距分辨率數(shù)據(jù)。自準(zhǔn)直儀分辨率為0.05"，精度為0.25"。中空點(diǎn)為對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀3"步距分辨率數(shù)據(jù)。自準(zhǔn)直儀數(shù)據(jù)和傾角傳感器數(shù)據(jù)是同時(shí)測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)，為了能清晰的顯示，因此將兩組數(shù)據(jù)在采樣點(diǎn)軸上錯(cuò)開(kāi)。從圖中可以看出:當(dāng)傾角傳感器以3"為步距轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，自準(zhǔn)直儀和傾角傳感器同時(shí)響應(yīng)當(dāng)前的角度變化并輸出傾角值。由自準(zhǔn)直儀數(shù)據(jù)可知運(yùn)動(dòng)過(guò)程是3"為步距的臺(tái)階轉(zhuǎn)動(dòng)，傾角傳感器數(shù)據(jù)可以響應(yīng)出3"為步距的臺(tái)階轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0024]如圖4所示，為本發(fā)明對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀的精度數(shù)據(jù)圖，其中實(shí)線為光學(xué)自準(zhǔn)直儀2000"測(cè)量數(shù)據(jù)(左邊Y軸)，中空點(diǎn)為對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀2000"測(cè)量數(shù)據(jù)(左邊Y軸)，實(shí)心方塊為兩者數(shù)據(jù)殘差(右邊Y軸)。自準(zhǔn)直儀數(shù)據(jù)和傾角傳感器數(shù)據(jù)是同時(shí)測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)，為了能清晰的顯示，因此將兩組數(shù)據(jù)在采樣點(diǎn)軸上錯(cuò)開(kāi)。從圖中可以看出:當(dāng)傾角傳感器從O"勻速轉(zhuǎn)動(dòng)到2050"，并往返轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，自準(zhǔn)直儀和傾角傳感器同時(shí)響應(yīng)當(dāng)前的角度變化并輸出傾角值。由自準(zhǔn)直儀數(shù)據(jù)和傾角傳感器數(shù)據(jù)可知兩者均能響應(yīng)當(dāng)前的傾角值。兩者數(shù)據(jù)的殘差值在±3"內(nèi)，表明傾角傳感器的精度優(yōu)于±3"。
【權(quán)利要求】
1.一種對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀，其特征在于:包括分別置于電路板正反面的正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)，所述正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)和信號(hào)差分放大模塊(4)的輸入端相連接，所述信號(hào)差分放大模塊(4)的輸出端和數(shù)據(jù)采集模塊(5)的輸入端相連接，所述數(shù)據(jù)采集模塊(5)的輸出端分別連接液晶顯示模塊(6)和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊(7)，還包括為整個(gè)傳感儀供電的電源供電模塊(I);所述正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)分別敏感各自的重力加速度信號(hào)，并將重力加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路模擬電壓信號(hào)，傳輸模擬電壓信號(hào)給所述的信號(hào)差分放大模塊(4)，所述信號(hào)差分放大模塊(4)分別將正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)輸出的兩路模擬電壓信號(hào)進(jìn)行差分放大分別得到正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)的模擬差分電壓值，所述的信號(hào)差分放大模塊(4)再次將正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)的兩路模擬電壓值作差，并將得到的模擬電壓值傳輸?shù)剿龅臄?shù)據(jù)采集模塊(5)，所述的數(shù)據(jù)采集模塊(5)通過(guò)A/D采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，換算成傾角值并傳輸?shù)剿鲆壕э@示模塊(6)和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊(7)顯示和輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀,其特征在于:所述正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)為能夠正反使用的基于MEMS加速度計(jì)的差動(dòng)式貼片傾角傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀,其特征在于:所述正貼傾角敏感元件(2)所放的位置在電路板上面板正貼水平放置，反貼傾角敏感元件(3)在正貼傾角敏感元件(2)放置基礎(chǔ)上繞著與敏感方向水平垂直的方向旋轉(zhuǎn)180°后，放置于電路板下面板反貼，且正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)的位置在一個(gè)豎直平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對(duì)貼差分式高分辨率傾角傳感儀,其特征在于:所述藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊(7)從數(shù)據(jù)采集模塊(5)獲得角度數(shù)字信號(hào)后，將絕對(duì)傾角值和相對(duì)傾角值的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給用戶的藍(lán)牙手機(jī)或者其他藍(lán)牙接收模塊；同時(shí)接收用戶發(fā)送的清零指令，將相對(duì)傾角值復(fù)位為零，絕對(duì)傾角值不變。
【文檔編號(hào)】G01C9/00GK103697860SQ201310685230
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】趙世杰, 李巖, 章恩耀, 尉昊赟 申請(qǐng)人:清華大學(xué)