自動(dòng)調(diào)零伺服傾角傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一、引言

傾角傳感器是測(cè)量關(guān)于水平面的傾斜角的裝置，在土木建筑、水文地質(zhì)、兵器、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的用途。傾角傳感器種類(lèi)繁多，按照其工作原理可以分為“固體擺”式，“液體擺”式，“氣體擺”式三種傾角傳感器。對(duì)于固體擺式傾角傳感器的研究已經(jīng)比較成熟，且應(yīng)用廣泛，但其易受外界干擾，如機(jī)械振動(dòng)沖擊；而液體擺式傾角傳感器具有靈敏度高、耐腐蝕、耐潮濕等特點(diǎn)，但其致命的缺點(diǎn)是溫度變化會(huì)嚴(yán)重影響其工作特性，從而限制了液體擺式傾角傳感器的發(fā)展和應(yīng)用；氣體擺式傾角傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗振動(dòng)和抗沖擊能力強(qiáng)，但其受環(huán)境溫度影響較大，測(cè)試精度不高?？傊?，現(xiàn)有的傾角傳感器的精度需要較高的成本來(lái)提高，并存在零位偏差，時(shí)間漂移和溫度漂移等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題本文設(shè)計(jì)了一種基于自動(dòng)調(diào)零理論的自動(dòng)調(diào)零伺服傾角傳感器，其基本思想源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺旋轉(zhuǎn)180°找平的古老方法，并采用步進(jìn)電機(jī)及單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。這種自動(dòng)調(diào)零伺服傾角傳感器能很好的解決零位偏差，時(shí)間漂移和溫度漂移等問(wèn)題，使傾角傳感器的性能得到了提高，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

二、理論基礎(chǔ)

自動(dòng)調(diào)零伺服傾角傳感器是設(shè)計(jì)用來(lái)校正各種來(lái)源的零位偏差和漂移。其基本思想來(lái)源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺在被測(cè)物體表面旋轉(zhuǎn)180o來(lái)找平的古老方法。如果水泡顯示了相同的結(jié)果就表示工作正常，否則就指示一個(gè)等于水泡頂點(diǎn)位置差額的一半的錯(cuò)誤。在本文的應(yīng)用中，伺服傾角傳感器位于一個(gè)輸入軸IA平行于其表面的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)上，當(dāng)要執(zhí)行偏移校正操作時(shí)可以直接旋轉(zhuǎn)180o到圓盤(pán)的相反位置上，如圖1所示。

圖1伺服傾角計(jì)的零位偏差不依賴(lài)于傳感器的位置。因此，當(dāng)附于水平旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)上的傳感器轉(zhuǎn)到兩個(gè)不同位置時(shí)，其輸出將不會(huì)改變。

傾角傳感器在零輸入（傾角傳感器的底座位于絕對(duì)水平的表面上）時(shí)的輸出由兩部分組成：

（1）偏移誤差VB定義為不依賴(lài)于傾角傳感器位置的輸出。
（2）未對(duì)準(zhǔn)誤差角e主要是由于傾角傳感器的底座沒(méi)有與測(cè)量軸線絕對(duì)平行而造成的。這樣就引起了一個(gè)與未對(duì)準(zhǔn)角度成比例的輸出電壓Ve（對(duì)于很小的角度來(lái)說(shuō)，sine≈e）。

如果圖1中的旋轉(zhuǎn)底座在一個(gè)絕對(duì)水平的平面上，則很明顯在兩個(gè)位置上傾角傳感器的偏移誤差輸出VB和未對(duì)準(zhǔn)誤差輸出Ve的輸出和為：

Vo=VB+Ve。（1）

假設(shè)旋轉(zhuǎn)底座相對(duì)于Y軸傾斜了角度φ，則分析過(guò)程如下，如圖2所示。

很明顯圖2所示的旋轉(zhuǎn)傳感器時(shí)，角度φ在這兩個(gè)位置是相同的。顯然輸入軸線的方向是相反的，這樣輸出電壓的Vφ極性也相反。在位置1和位置2電壓輸出是重疊的：

V1=Vo+Vφ=VB+Ve+Vφ（2）
V2=Vo-Vφ=VB+Ve-Vφ（3）

最后，位置1和位置2的輸出相減（V1-V2=2Vφ）即可得到結(jié)果：

一般來(lái)說(shuō)，從等式中可以看出偏移誤差和未對(duì)準(zhǔn)誤差是可以完全消除，從而可以得到真實(shí)的角度。事實(shí)上，這就是自動(dòng)調(diào)零的作用。要把這些理論應(yīng)用于實(shí)踐，以下的基本條件必須滿(mǎn)足：

（1）在位置2時(shí)的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的表面必須與位置1的表面平行。
（2）因?yàn)閮A角傳感器事實(shí)上是一個(gè)加速度計(jì)，所以在執(zhí)行誤差校正操作時(shí)儀器必須靜止，而且要盡量避免震動(dòng)。
（3）在測(cè)量位置的讀數(shù)應(yīng)該在傾角傳感器的輸出達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)讀取。

三、系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)

根據(jù)上面提出的自動(dòng)調(diào)零的理論基礎(chǔ)，要實(shí)現(xiàn)傾角傳感器的自動(dòng)調(diào)零，傾角傳感器需要精確旋轉(zhuǎn)180o。經(jīng)過(guò)對(duì)各種微電機(jī)的比較，選用易于進(jìn)行精確控制的步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，然后將傾角傳感器精確地安裝在此平臺(tái)上。傾角傳感器在兩個(gè)相反位置上的讀數(shù)需要用足夠位數(shù)、精度和響應(yīng)速度的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后利用單片機(jī)存儲(chǔ)和計(jì)算最終結(jié)果。其數(shù)字輸出結(jié)果通過(guò)RS-232或者其他形式進(jìn)行輸出，如圖3所示。

四、試驗(yàn)結(jié)果

1、溫度漂移試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)對(duì)傾角傳感器自動(dòng)調(diào)零原理的研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)零伺服傾角傳感器樣機(jī)。為了驗(yàn)證自動(dòng)調(diào)零伺服傾角傳感器的自動(dòng)調(diào)零和消除漂移特性，對(duì)此傾角傳感器進(jìn)行高低溫試驗(yàn)。其溫度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中V0和V180是內(nèi)部?jī)A角傳感器在自動(dòng)調(diào)零校正操作時(shí)在兩個(gè)測(cè)量位置直接讀取的，而Vout是調(diào)零校正后的計(jì)算結(jié)果（下同）。

然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正，用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，修正后的結(jié)果如表2所示。可以得到溫度變化-輸出變化特性圖，如圖4所示。可以看出，在低溫-40℃到高溫60℃的溫度范圍內(nèi)，內(nèi)部?jī)A角傳感器的輸出V0具有最大為0.135V的溫度靈敏性。而當(dāng)經(jīng)過(guò)偏移校正后，傾角傳感器的輸出Vout具有最大為0.01V的溫度靈敏性。也就是說(shuō)此傾角傳感器的零位溫度系數(shù)小于0.0001°/℃，其調(diào)零精度達(dá)到0.01°，達(dá)到了自動(dòng)調(diào)零的目的，能夠滿(mǎn)足測(cè)試設(shè)備的要求。

2.零位重復(fù)性試驗(yàn)

零位重復(fù)性是指傾角傳感器偏離零位后再恢復(fù)至零位時(shí)傾角的變化值。其數(shù)據(jù)記錄結(jié)果如表3所示。對(duì)數(shù)據(jù)記錄分析可知，自動(dòng)調(diào)零伺服傾角傳感器的零位重復(fù)性為0.001°。

3.誤差分析試驗(yàn)

常溫20℃，在-10°～10°范圍內(nèi)對(duì)傾角傳感器進(jìn)行測(cè)試，分別記錄V0、V180和Vout。根據(jù)測(cè)的數(shù)據(jù)可以得到此傾角傳感器的在20℃時(shí)的線性圖如圖5。

根據(jù)以上測(cè)得的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出此傾角傳感器輸出Vout在全量程范圍內(nèi)的非線性誤差為0.02°，能夠滿(mǎn)足測(cè)試設(shè)備的要求。

4.振動(dòng)試驗(yàn)

將傾角傳感器放在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)的技術(shù)條件如表4所示。記錄振動(dòng)試驗(yàn)前后傾角傳感器的零位輸出V0、V180和Vout。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析，畫(huà)出Vout在振動(dòng)前后的對(duì)比圖如圖6所示。從圖中可以看出自動(dòng)調(diào)零伺服傾角傳感器具有良好的抗振動(dòng)和抗沖擊性能，能夠滿(mǎn)足測(cè)試設(shè)備的要求。

5.連續(xù)工作試驗(yàn)

連續(xù)工作試驗(yàn)是指將自動(dòng)調(diào)零伺服傾角傳感器通電使之連續(xù)工作24小時(shí)，并在每隔1小時(shí)時(shí)記錄其數(shù)據(jù)輸出V0、V180和Vout的值。根據(jù)連續(xù)工作試驗(yàn)記錄可以畫(huà)出其連續(xù)工作的輸出變化圖，如圖7所示。

五.試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)自動(dòng)調(diào)零伺服傾角傳感器樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，最終測(cè)得其技術(shù)參數(shù)如下：

六.結(jié)束語(yǔ)

零位偏差和漂移是所有傳感器都待解決的技術(shù)難題，本文通過(guò)研究自動(dòng)調(diào)零的模型和方法及補(bǔ)償量的算法，建立一套傾角傳感器自動(dòng)調(diào)零的理論和方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)零伺服傾角傳感器樣機(jī)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明其具有良好的自動(dòng)調(diào)零特性并能夠消除漂移問(wèn)題，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。