專利名稱:一種傾斜角測(cè)量?jī)x器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域：
，更具體的說(shuō)，本實(shí)用新型涉及一種傾斜角測(cè)量?jī)x器。
背景技術(shù)：
傾角傳感器是測(cè)量?jī)A斜角的裝置，目前許多工程應(yīng)用中都需要對(duì)傾角進(jìn)行測(cè)量，并將這些測(cè)量值用于對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)或控制。
公開(kāi)號(hào)為CN1003344A、CN1013063A、CN1320808A和CN1668892A的中國(guó)專利申請(qǐng)中分別公開(kāi)了基于“液體擺”的傾斜角測(cè)量裝置。其基本原理是，測(cè)量裝置包括兩個(gè)測(cè)量電極和一個(gè)公開(kāi)電極，電極置于密閉的腔室內(nèi)，腔室內(nèi)裝有高介電常數(shù)液體和氣體。當(dāng)測(cè)量裝置處在水平面位置時(shí)，兩個(gè)電極有相等的面積浸沒(méi)在介電液體里，由電極和公開(kāi)電極構(gòu)成兩個(gè)相等的電容器；傾斜測(cè)量?jī)x轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度時(shí)，二個(gè)電極浸沒(méi)在液體里的面積則不相等，產(chǎn)生的電容差值則代表被測(cè)量的傾斜角的大小。
公開(kāi)號(hào)為CN1532523A的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種基于“固體擺”的數(shù)顯式水平及角度測(cè)量?jī)x，其包括外殼和角度測(cè)量裝置，角度測(cè)量裝置為電容角度測(cè)量傳感器，外殼與電容角度測(cè)量?jī)x的主柵或副柵固連，外殼內(nèi)腔中還有一個(gè)始終自動(dòng)回復(fù)并保持在重力垂直狀態(tài)的重力垂直裝置，重力垂直裝置與電容角度測(cè)量?jī)x的副柵或主柵固連并同軸轉(zhuǎn)動(dòng)；外殼上還設(shè)有一個(gè)用于決定絕對(duì)零位的精密位置開(kāi)關(guān)，重力垂直裝置由重錘、支承軸和浮筒構(gòu)成，浮筒的位置和形狀為沿重錘中垂軸軸對(duì)稱。
上述現(xiàn)有技術(shù)都沒(méi)有涉及怎樣對(duì)傾斜角測(cè)量?jī)x器的靈敏度和零位偏差進(jìn)行校準(zhǔn)，眾所周知，由于測(cè)量電路、敏感元件等不可避免地存在溫度和時(shí)間漂移，將給整個(gè)儀器引入靈敏度漂移和零位漂移，因此，對(duì)靈敏度和零位進(jìn)行校準(zhǔn)是保證測(cè)量準(zhǔn)確的必要工作。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于提供一種傾斜角測(cè)量?jī)x器，旨在解決現(xiàn)有的傾斜角測(cè)量?jī)x器不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)靈敏度校準(zhǔn)和零位校準(zhǔn)，測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種傾斜角測(cè)量?jī)x器，包括傾角傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器和數(shù)字輸出接口，其特征在于
所述傾斜角測(cè)量?jī)x器還包括支架、旋轉(zhuǎn)圓盤、電機(jī)；
所述傾角傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器和數(shù)字輸出接口、電機(jī)之間做正確的電連接；
所述傾角傳感器安裝在所述旋轉(zhuǎn)圓盤上；
所述旋轉(zhuǎn)圓盤固定在所述電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，可以繞著所述電機(jī)的所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)任意角度；
所述電機(jī)垂直安裝在所述支架上，所述支架包括一水平面板和一垂直面板，所述水平面板為測(cè)量基準(zhǔn)面，所述垂直面板用于固定電機(jī)。
本實(shí)用新型提供的傾斜角測(cè)量?jī)x器使用方便，在每次上電時(shí)可以自動(dòng)進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)和零位校準(zhǔn)，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。
由上述技術(shù)方案可知，本實(shí)用新型通過(guò)將安裝有傾角傳感器的旋轉(zhuǎn)圓盤固定在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，所述電機(jī)再垂直安裝在所述支架上，采用靈敏度校準(zhǔn)和零位校準(zhǔn)的方法，具有以下有益效果
1、使傾斜角測(cè)量?jī)x器使用更加方便，上電后即可進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)和零位校準(zhǔn)；
2、通過(guò)一種裝置就可進(jìn)行兩種校準(zhǔn)，簡(jiǎn)化了傾斜角測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)；
3、傾斜角測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。



圖1所示為基于“固體擺”的電容式傾角傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2所示為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的傾斜角測(cè)量?jī)x器靈敏度校準(zhǔn)和零位校準(zhǔn)的原理示意圖；
圖3所示為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的傾斜角測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)框圖；
圖4所示為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的傾斜角測(cè)量?jī)x器的工作流程圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
所謂靈敏度，就是指輸出變化量與輸入變化量之比，當(dāng)輸出與輸入關(guān)系為線性時(shí)，靈敏度退變?yōu)檩敵雠c輸入之比。
圖1所示為基于“固體擺”的電容式傾角傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中的傾角傳感器通過(guò)感知通過(guò)物體軸心的地球引力向量來(lái)測(cè)量?jī)A斜角度，其包括一個(gè)固定在殼體上的懸臂梁，懸臂梁上連接上一活動(dòng)極板，活動(dòng)極板位于兩塊固定極板之間。為便于說(shuō)明，將圖1中的懸臂梁簡(jiǎn)化為具有一定阻尼的彈性系統(tǒng)。物體m的重力使懸臂梁產(chǎn)生變形，對(duì)于不同的傾斜角，存在與之相對(duì)應(yīng)的懸臂梁變形量。隨著懸臂梁在重力的作用下發(fā)生變形，活動(dòng)極板相應(yīng)地在兩塊固定極板之間移動(dòng)，活動(dòng)極板的位置變化將引起極板之間電容量的改變，通過(guò)檢測(cè)極板之間的電容量，即可獲知傾斜角的大小。需要指出的是，雖然此處是基于“固體擺”的電容式傾斜角傳感器對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，本實(shí)用新型同樣適用于基于“液體擺”或“氣體擺”及其它技術(shù)的測(cè)量裝置。
如圖1所示，當(dāng)傾斜角為φ時(shí)，在物體m的重力作用下而形成的軸向作用力為F＝mgsinφ，所述作用力使懸臂梁的端部產(chǎn)生位移x

其中k為彈性強(qiáng)度?？衫孟率綄⑽灰苮轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓輸出量

其中Kp表示通過(guò)檢測(cè)電容變化而獲得的電壓與位移x之間的比例系數(shù)。經(jīng)過(guò)增益放大器后的最終輸出結(jié)果VO為

在±15°小角度范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，可以認(rèn)為VO與φ成線性關(guān)系，即

令則Sen為所述傾角傳感器的靈敏度，式(4)可以簡(jiǎn)化為
VO＝Sen·φ (5)
圖2所示為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例提供的傾斜角測(cè)量?jī)x器的靈敏度和零位校準(zhǔn)示意圖，下面詳細(xì)描述本實(shí)用新型的傾斜角測(cè)量?jī)x器的靈敏度和零位校準(zhǔn)過(guò)程。
本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種傾斜角測(cè)量?jī)x器，其包括支架、旋轉(zhuǎn)圓盤、傾角傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)、微處理器和數(shù)字輸出接口。所述A/D轉(zhuǎn)換器采集并轉(zhuǎn)換所述傾角傳感器的輸出電壓，并將其結(jié)果輸送至所述微處理器，所述微處理器基于特定的函數(shù)關(guān)系根據(jù)所述傾角傳感器的輸出電壓計(jì)算出測(cè)量基準(zhǔn)面與水平面之間的傾斜角。所述傾角傳感器安裝在所述旋轉(zhuǎn)圓盤上，所述旋轉(zhuǎn)圓盤垂直固定在所述電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，所述電機(jī)垂直安裝在所述支架上，所述支架包括一水平面板和一垂直面板，所述水平面板為測(cè)量基準(zhǔn)面，所述垂直面板用于固定電機(jī)。，所述旋轉(zhuǎn)圓盤可以繞著所述電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)任意角度。
首先，將所述傾角傳感器置于所述旋轉(zhuǎn)圓盤上，所述旋轉(zhuǎn)圓盤的表面垂直于所述支架上的所述測(cè)量基準(zhǔn)面。此位置為所述傾角傳感器的初始位置，即第一位置，在所述第一位置處，記錄所述傾角傳感器的輸出電壓，然后，將所述旋轉(zhuǎn)圓盤垂直旋轉(zhuǎn)一標(biāo)準(zhǔn)角度θ，此位置為所述傾角傳感器的第二位置，所述標(biāo)準(zhǔn)角度θ介于正負(fù)15°之間，延時(shí)后再次記錄所述傾角傳感器在所述第二位置時(shí)的輸出電壓。當(dāng)所述傾角傳感器處于水平狀態(tài)時(shí)，理論上所述傾角傳感器的輸出電壓為零，實(shí)際上所述傾角傳感器存在零位漂移，會(huì)有一個(gè)零位偏差電壓Vψ，所以在所述第一位置和所述第二位置的輸出電壓分別為






式中φ1為所述傾角傳感器在所述第一位置相對(duì)于所述測(cè)量基準(zhǔn)面的傾角值，φ2為所述傾角傳感器在所述第二位置相對(duì)于所述測(cè)量基準(zhǔn)面的傾角值。
由式(7)減去式(6)得
ΔV＝V2-V1＝Sen·(φ2-φ1)＝Sen·θ (8)
由式(8)得

由式(9)可以求出靈敏度Sen的值，將靈敏度Sen應(yīng)用于后續(xù)測(cè)量，即可完成靈敏度的校準(zhǔn)。
靈敏度校準(zhǔn)之后，繼續(xù)將所述旋轉(zhuǎn)圓盤垂直旋轉(zhuǎn)到相對(duì)于所述第一位置180°的第三位置處，延時(shí)后記錄所述傾角傳感器的輸出電壓，則所述傾角傳感器在所述第一位置和所述第三位置的輸出電壓則不同，分別為






式中-φ1為所述傾角傳感器在所述第三位置相對(duì)于所述測(cè)量基準(zhǔn)面的傾角值。
將式(10)加上式(11)除以2得



從式(12)中可以看出，通過(guò)測(cè)量所述第一位置和所述第三位置處所述傾角傳感器的輸出電壓，可以得到零位偏差電壓Vφ，在后續(xù)測(cè)量中，將測(cè)量電壓值減去零位偏差電壓值，就可以得到真實(shí)的電壓值，通過(guò)式(5)，就可以反算出真實(shí)的角度值，從而完成零位校準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，以下的基本條件必須滿足
·在所述第一位置、第二位置和第三位置時(shí)的旋轉(zhuǎn)圓盤處于同一平面內(nèi)。
·在自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)盡量避免測(cè)量?jī)x器震動(dòng)。
·因所述傾角傳感器存在一定的響應(yīng)時(shí)間，所以在讀取所述傾角傳感器輸出電壓之前，應(yīng)當(dāng)使所述旋轉(zhuǎn)圓盤在所述第一位置、第二位置及第三位置保持一定的時(shí)長(zhǎng)，以使所述傾角傳感器的輸出達(dá)到平衡狀態(tài)。
如圖3所示，為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的傾斜角測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)框圖，為便于說(shuō)明，僅示出了與本實(shí)用新型相關(guān)的部分。
圖3所示為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例提供的傾斜角測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)框圖。本實(shí)用新型提供的傾斜角測(cè)量?jī)x器中，所述電機(jī)選用易于進(jìn)行精確控制的步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)所述旋轉(zhuǎn)圓盤的旋轉(zhuǎn)。所述電機(jī)也可以選用伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)所述旋轉(zhuǎn)圓盤的旋轉(zhuǎn)。將所述傾角傳感器安裝在所述旋轉(zhuǎn)圓盤的邊緣位置，所述旋轉(zhuǎn)圓盤垂直安裝在所述步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，所述步進(jìn)電機(jī)和所述旋轉(zhuǎn)圓盤都由所述支架固定。通過(guò)所述A/D轉(zhuǎn)換器采集所述第一位置、第二位置和第三位置處的所述傾角傳感器的輸出電壓，所述微處理器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成靈敏度校準(zhǔn)和零位校準(zhǔn)之后，通過(guò)數(shù)字輸出接口輸出測(cè)量面的傾斜角值。本發(fā)明實(shí)施例提供的數(shù)字輸出接口為RS232接口。
在本實(shí)用新型實(shí)施例中，所述傾角傳感器選用基于“固體擺”的傾角傳感器；
進(jìn)一步的，本實(shí)用新型也可以選用基于“液體擺”的傾角傳感器或者基于“氣體擺”的傾角傳感器。
圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的傾斜角測(cè)量?jī)x器的工作流程圖。包括一下幾個(gè)步驟
所述傾斜角測(cè)量?jī)x器上電啟動(dòng)，初始化；
讀取所述第一位置處所述傾角傳感器的第一輸出電壓值；
所述微處理器控制所述電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使所述旋轉(zhuǎn)圓盤垂直旋轉(zhuǎn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)角度到第二位置；
延時(shí)，讀取所述第二位置處所述傾角傳感器的第二輸出電壓值；
由所述第二輸出電壓值和所述第一輸出電壓值的差值除以所述標(biāo)準(zhǔn)角度，計(jì)算出所述傾角傳感器的靈敏度；
所述微處理器控制所述電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使所述旋轉(zhuǎn)圓盤再次垂直旋轉(zhuǎn)到相對(duì)所述第一位置180°的第三位置；
延時(shí)，讀取所述第三位置處所述傾角傳感器的輸出電壓值；
根據(jù)所述第一位置和所述第三位置所述傾角傳感器的輸出電壓的和，計(jì)算出零位偏差電壓；
延時(shí)，正式測(cè)量。
在測(cè)量過(guò)程中，根據(jù)前面所求得的靈敏度和零位偏差電壓，計(jì)算處理后即可得到測(cè)量表面的真實(shí)傾角值。
最后應(yīng)說(shuō)明的是以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非對(duì)其進(jìn)行限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可以對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而這些修改或者等同替換亦不能使修改后的技術(shù)方案脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種傾斜角測(cè)量?jī)x器，包括傾角傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器和數(shù)字輸出接口，其特征在于
所述傾斜角測(cè)量?jī)x器還包括支架、旋轉(zhuǎn)圓盤、電機(jī)；
所述傾角傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器和數(shù)字輸出接口、電機(jī)之間做正確的電連接；
所述傾角傳感器安裝在所述旋轉(zhuǎn)圓盤上；
所述旋轉(zhuǎn)圓盤固定在所述電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，可以繞著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)任意角度；
所述電機(jī)垂直安裝在所述支架上，所述支架包括一水平面板和一垂直面板，所述水平面板為測(cè)量基準(zhǔn)面，所述垂直面板用于固定電機(jī)。
2.如權(quán)利要求
1所述的傾斜角測(cè)量?jī)x器，其特征在于所述傾角傳感器為基于“固體擺”的傾角傳感器。
3.如權(quán)利要求
1所述的傾斜角測(cè)量?jī)x器，其特征在于所述傾角傳感器為基于“液體擺”的傾角傳感器。
4.如權(quán)利要求
1所述的傾斜角測(cè)量?jī)x器，其特征在于所述傾角傳感器為基于“氣體擺”的傾角傳感器。
5.如權(quán)利要求
1所述的傾斜角測(cè)量?jī)x器，其特征在于所述電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。
6.如權(quán)利要求
1所述的傾斜角測(cè)量?jī)x器，其特征在于所述電機(jī)為伺服電機(jī)。
7.如權(quán)利要求
1所述的傾斜角測(cè)量?jī)x器，其特征在于所述數(shù)字輸出接口為RS232接口。
專利摘要
本實(shí)用新型適用于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域：
，提供了一種傾斜角測(cè)量?jī)x器，所述傾斜角測(cè)量?jī)x器包括傾角傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器和數(shù)字輸出接口，其特征在于，所述傾斜角測(cè)量?jī)x器還包括支架、旋轉(zhuǎn)圓盤、電機(jī)。所述傾角傳感器安裝在所述旋轉(zhuǎn)圓盤上，所述旋轉(zhuǎn)圓盤固定在所述電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，所述電機(jī)垂直安裝在所述支架上，所述支架包括一水平面板和一垂直面板，所述水平面板為測(cè)量基準(zhǔn)面，所述垂直面板用于固定電機(jī)。本實(shí)用新型提供的傾斜角測(cè)量?jī)x器使用方便，通過(guò)一種裝置就能實(shí)現(xiàn)傾角傳感器的靈敏度校準(zhǔn)和零位校準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G01C9/18GKCN201522277SQ200920220204
公開(kāi)日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2009年10月26日
發(fā)明者高國(guó)偉, 吳秀芹, 李倩蕓 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan