自動(dòng)調零伺服傾角傳感器的設計與實(shí)現

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、生物醫學(xué)等工程技術(shù)領(lǐng)域有著(zhù)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。對于固體擺式傾角傳感器的研究已經(jīng)比較成熟，且應用廣泛，但其易受外界干擾，如機械振動(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)展和應用；氣體擺式傾角傳感器結構簡(jiǎn)單，抗振動(dòng)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。
 
      針對上述問(wèn)題本文設計了一種基于自動(dòng)調零理論的自動(dòng)調零伺服傾角傳感器，其基本思想源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺旋轉180°找平的古老方法，并采用步進(jìn)電機及單片機控制技術(shù)設計和實(shí)現。這種自動(dòng)調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，具有非常重要的應用價(jià)值。
 
      二、理論基礎
 
      自動(dòng)調零伺服傾角傳感器是設計用來(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物體表面旋轉180o來(lái)找平的古老方法。如果水泡顯示了相同的結果就表示工作正常，否則就指示一個(gè)等于水泡頂點(diǎn)位置差額的一半的錯誤。在本文的應用中，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圓盤(pán)上，當要執行偏移校正操作時(shí)可以直接旋轉180o到圓盤(pán)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(lài)于傳感器的位置。因此，當附于水平旋轉圓盤(pán)上的傳感器轉到兩個(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）未對準誤差角e主要是由于傾角傳感器的底座沒(méi)有與測量軸線(xiàn)絕對平行而造成的。這樣就引起了一個(gè)與未對準角度成比例的輸出電壓Ve（對于很小的角度來(lái)說(shuō)，sine≈e）。
 
      如果圖1中的旋轉底座在一個(gè)絕對水平的平面上，則很明顯在兩個(gè)位置上傾角傳感器的偏移誤差輸出VB和未對準誤差輸出Ve的輸出和為：
 
      Vo=VB+Ve。（1）
 
      假設旋轉底座相對于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(xiàn)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）即可得到結果：

    一般來(lái)說(shuō)，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(shí)的角度。事實(shí)上，這就是自動(dòng)調零的作用。要把這些理論應用于實(shí)踐，以下的基本條件必須滿(mǎn)足：
 
      （1）在位置2時(shí)的旋轉圓盤(pán)的表面必須與位置1的表面平行。
      （2）因為傾角傳感器事實(shí)上是一個(gè)加速度計，所以在執行誤差校正操作時(shí)儀器必須靜止，而且要盡量避免震動(dòng)。
      （3）在測量位置的讀數應該在傾角傳感器的輸出達到平衡狀態(tài)時(shí)讀取。
 
      三、系統工作原理和結構
 
      根據上面提出的自動(dòng)調零的理論基礎，要實(shí)現傾角傳感器的自動(dòng)調零，傾角傳感器需要精確旋轉180o。經(jīng)過(guò)對各種微電機的比較，選用易于進(jìn)行精確控制的步進(jìn)電機來(lái)實(shí)現平臺的旋轉，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(gè)相反位置上的讀數需要用足夠位數、精度和響應速度的A/D轉換器進(jìn)行轉換，最后利用單片機存儲和計算最終結果。其數字輸出結果通過(guò)RS-232或者其他形式進(jìn)行輸出，如圖3所示。 

    四、試驗結果
 
      1、溫度漂移試驗
 
      經(jīng)過(guò)對傾角傳感器自動(dòng)調零原理的研究，設計并實(shí)現了自動(dòng)調零伺服傾角傳感器樣機。為了驗證自動(dòng)調零伺服傾角傳感器的自動(dòng)調零和消除漂移特性，對此傾角傳感器進(jìn)行高低溫試驗。其溫度試驗結果如表1所示，其中V0和V180是內部?jì)A角傳感器在自動(dòng)調零校正操作時(shí)在兩個(gè)測量位置直接讀取的，而Vout是調零校正后的計算結果（下同）。
 
 
      然后對結果進(jìn)行修正，用于對數據進(jìn)行分析，修正后的結果如表2所示�？梢缘玫綔囟茸兓�-輸出變化特性圖，如圖4所示�？梢钥闯�，在低溫-40℃到高溫60℃的溫度范圍內，內部?jì)A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(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小于0.0001°/℃，其調零精度達到0.01°，達到了自動(dòng)調零的目的，能夠滿(mǎn)足測試設備的要求。
 
      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(shí)傾角的變化值。其數據記錄結果如表3所示。對數據記錄分析可知，自動(dòng)調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°范圍內對傾角傳感器進(jìn)行測試，分別記錄V0、V180和Vout。根據測的數據可以得到此傾角傳感器的在20℃時(shí)的線(xiàn)性圖如圖5。

    根據以上測得的數據可以計算出此傾角傳感器輸出Vout在全量程范圍內的非線(xiàn)性誤差為0.02°，能夠滿(mǎn)足測試設備的要求。

    4.振動(dòng)試驗
 
      將傾角傳感器放在振動(dòng)臺上進(jìn)行振動(dòng)試驗，振動(dòng)試驗的技術(shù)條件如表4所示。記錄振動(dòng)試驗前后傾角傳感器的零位輸出V0、V180和Vout。其試驗數據如表5所示。
 
      經(jīng)過(guò)對以上數據的分析，畫(huà)出Vout在振動(dòng)前后的對比圖如圖6所示。從圖中可以看出自動(dòng)調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)足測試設備的要求。
 
      5.連續工作試驗
 
      連續工作試驗是指將自動(dòng)調零伺服傾角傳感器通電使之連續工作24小時(shí)，并在每隔1小時(shí)時(shí)記錄其數據輸出V0、V180和Vout的值。根據連續工作試驗記錄可以畫(huà)出其連續工作的輸出變化圖，如圖7所示。

    五.試驗結果
 
      經(jīng)過(guò)對自動(dòng)調零伺服傾角傳感器樣機進(jìn)行試驗，最終測得其技術(shù)參數如下： 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗機| 扭力計| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計| 平衡儀| 
  
      六.結束語(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(dòng)調零的理論和方法，設計實(shí)現了自動(dòng)調零伺服傾角傳感器樣機，經(jīng)過(guò)試驗證明其具有良好的自動(dòng)調零特性并能夠消除漂移問(wèn)題，具有非常重要的應用價(jià)值。