高精度数字式倾斜仪的设计与实现

　　倾斜仪在军事上主要用于测量舰船、战车、坦克等载体的基准面相对于水平面的倾斜角度。在民用上,可用于钻探、测井、交通运输测轨、大地测量、堤坝、隧道、建筑物、地震监测等各个领域。倾斜仪种类很多,根据所采用的倾角敏感器件的不同可分为加速度计式[1]、导电液式[2]、电阻式、电感式、应变式、悬挂式等;根据输出形式的不同可分为数字式和模拟式。

　　本文设计了基于石英挠性加速度计和低功耗SOC单片机的数字式倾斜仪,在软件上采用零位温度曲线补偿算法和标度因数温度系数补偿算法以提高检测精度。在PC机上采用Labview图形化编程语言实现倾角数据和温度数据的接收及显示,具有高精度,高灵敏度,高可靠性,数字输出及实时显示的特点。主要性能参数包括:测量范围为±5°;测量精度在全温度范围内≤0.03°;响应时间≤0.05 s;工作温度为-40~+60℃;与PC机双向通讯;倾角数据和温度数据实时输出。

　　1　检测原理

　　加速度计式倾斜仪通过敏感重力加速度在敏感轴向上的分量来测量倾角,工作原理如图1所示,输出电压U与被测倾角θ的关系为:

　　U=K·g·sin(θ+θ0) (1)

　　式中　θ为被测倾角的真实值;θ0为倾角零位误差;

　　g为当地重力加速度;K为倾斜仪标度因数;U为倾斜仪的实时输出。假定D为A/D转换器的量化输出,即

　　D=2NU/VA/D (2)

　　式中N为A/D转换器的位数;VA/D为A/D转换器的峰-峰值。由式(1)、(2)得

　　D·VA/D/2N=K·g·sin(θ+θ0) (3)

　　sin(θ+θ0)=VA/D·D/2N·(K·g)-1(4)

　　θ=arcsin[(VA/D·D/2N)·(K·g)]-θ0(5)

　　式(5)即为数字式倾斜仪工作的原理公式。将单片机采集到的D通过上述运算就可求得被测倾角的大小。

　　图1　加速度计式倾斜仪工作原理图

　　2　硬件实现

　　该倾斜仪主要由倾角敏感器件模块、信号调理电路模块、单片机电路模块和数据接收、分析及显示模块四大部分组成,如图2所示。

　　(1)倾角敏感器件模块。完成非电量到电量之间的转换,将倾角θ转换成与之成正弦关系的电压信号Us输出。

　　(2)信号调理电路模块。对倾角敏感器件输出的微弱电压信号Us进行放大和滤波。

　　(3)单片机电路模块。包括A/D转换、SOC单片机和通讯接口3大部分组成,主要完成对信号调理电路模块输出电压信号的采集和对温度信号的采集[3];采用滤波算法和补偿算法对采集到的数字量进行处理,以提高系统的测试精度,最后再进行非线性化处理使输出数字量与输入角度θ呈线性关系;通讯接口控制。

　　(4)数据接收、分析及显示模块。根据需要设定采样速率、通讯接口等多个参数,实时显示采集到的倾角数据和温度数据,并给出倾角数据在一段时间内的统计值。