自動調(diào)零伺服傾角傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)

一、引言

傾角傳感器是測量關(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)學等工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的用途。傾角傳感器種類繁多，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，如機械振動沖擊；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，但其致命的缺點是溫度變化會嚴重影響其工作特性，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)簡單，抗振動和抗沖擊能力強，但其受環(huán)境溫度影響較大，測試精度不高?？傊?，現(xiàn)有的傾角傳感器的精度需要較高的成本來提高，并存在零位偏差，時間漂移和溫度漂移等問題。

針對上述問題本文設(shè)計了一種基于自動調(diào)零理論的自動調(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，并采用步進電機及單片機控制技術(shù)設(shè)計和實現(xiàn)。這種自動調(diào)零伺服傾角傳感器能很好的解決零位偏差，時間漂移和溫度漂移等問題，使傾角傳感器的性能得到了提高，具有非常重要的應(yīng)用價值。

二、理論基礎(chǔ)

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

圖1伺服傾角計的零位偏差不依賴于傳感器的位置。因此，當附于水平旋轉(zhuǎn)圓盤上的傳感器轉(zhuǎn)到兩個不同位置時，其輸出將不會改變。

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

（1）偏移誤差VB定義為不依賴于傾角傳感器位置的輸出。
（2）未對準誤差角e主要是由于傾角傳感器的底座沒有與測量軸線絕對平行而造成的。這樣就引起了一個與未對準角度成比例的輸出電壓Ve（對于很小的角度來說，sine≈e）。

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

Vo=VB+Ve。（1）

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

很明顯圖2所示的旋轉(zhuǎn)傳感器時，角度φ在這兩個位置是相同的。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：

一般來說，從等式中可以看出偏移誤差和未對準誤差是可以完全消除，從而可以得到真實的角度。事實上，這就是自動調(diào)零的作用。要把這些理論應(yīng)用于實踐，以下的基本條件必須滿足：

（1）在位置2時的旋轉(zhuǎn)圓盤的表面必須與位置1的表面平行。
（2）因為傾角傳感器事實上是一個加速度計，所以在執(zhí)行誤差校正操作時儀器必須靜止，而且要盡量避免震動。
（3）在測量位置的讀數(shù)應(yīng)該在傾角傳感器的輸出達到平衡狀態(tài)時讀取。

三、系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)

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

四、試驗結(jié)果

1、溫度漂移試驗

經(jīng)過對傾角傳感器自動調(diào)零原理的研究，設(shè)計并實現(xiàn)了自動調(diào)零伺服傾角傳感器樣機。為了驗證自動調(diào)零伺服傾角傳感器的自動調(diào)零和消除漂移特性，對此傾角傳感器進行高低溫試驗。其溫度試驗結(jié)果如表1所示，其中V0和V180是內(nèi)部傾角傳感器在自動調(diào)零校正操作時在兩個測量位置直接讀取的，而Vout是調(diào)零校正后的計算結(jié)果（下同）。

然后對結(jié)果進行修正，用于對數(shù)據(jù)進行分析，修正后的結(jié)果如表2所示?？梢缘玫綔囟茸兓?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)部傾角傳感器的輸出V0具有最大為0.135V的溫度靈敏性。而當經(jīng)過偏移校正后，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)零精度達到0.01°，達到了自動調(diào)零的目的，能夠滿足測試設(shè)備的要求。

2.零位重復性試驗

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

3.誤差分析試驗

常溫20℃，在-10°～10°范圍內(nèi)對傾角傳感器進行測試，分別記錄V0、V180和Vout。根據(jù)測的數(shù)據(jù)可以得到此傾角傳感器的在20℃時的線性圖如圖5。

根據(jù)以上測得的數(shù)據(jù)可以計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°，能夠滿足測試設(shè)備的要求。

4.振動試驗

將傾角傳感器放在振動臺上進行振動試驗，振動試驗的技術(shù)條件如表4所示。記錄振動試驗前后傾角傳感器的零位輸出V0、V180和Vout。其試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

經(jīng)過對以上數(shù)據(jù)的分析，畫出Vout在振動前后的對比圖如圖6所示。從圖中可以看出自動調(diào)零伺服傾角傳感器具有良好的抗振動和抗沖擊性能，能夠滿足測試設(shè)備的要求。

5.連續(xù)工作試驗

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

五.試驗結(jié)果

經(jīng)過對自動調(diào)零伺服傾角傳感器樣機進行試驗，最終測得其技術(shù)參數(shù)如下：

六.結(jié)束語

零位偏差和漂移是所有傳感器都待解決的技術(shù)難題，本文通過研究自動調(diào)零的模型和方法及補償量的算法，建立一套傾角傳感器自動調(diào)零的理論和方法，設(shè)計實現(xiàn)了自動調(diào)零伺服傾角傳感器樣機，經(jīng)過試驗證明其具有良好的自動調(diào)零特性并能夠消除漂移問題，具有非常重要的應(yīng)用價值。