基于DSP的数字倾角仪的设计与实现

　　0　引言

　　传统的倾角仪基于水泡式测量[1],其检测方法是“水泡移动,肉眼分辨”。其缺点就是人为因素大,测量误差大。电子倾角仪大多基于“摆”的工作原理,即利用重力场内“摆”力　　图保持在铅垂方向的特性来设计各种倾角仪,电位器式、应变式、电容式、电感式倾角传感器都是利用固体摆锤将倾角变换成相应的电阻、应变、电容或电感量的变化,通过信号处理电　　路,输出电压信号或频率信号。比如文献[2]提出的一种基于磁通量测量倾角的模拟信号倾角仪。(前人研究进展)由于多方面的原因,这些倾角传感器都不同程度地存在以下的不足:结构复杂、制造工艺难度大、测量范围小、瞬态响应差、稳定速度慢等[2]。所以本倾角仪利用光电编码器直接把摆的转动转化为数字信号进行处理。数字倾角仪具有测量精度高,读数稳定、速度快,可快速、重复测量等优点,并且数字化也是现代测试技术与仪器的发展趋势。

　　普通的单摆式倾角仪,必须等摆处于稳定位置时才能得出正确的结果,它们大多仅适用于静态测量,不适合装在车、船上进行连续动态实时测量。在对连续变化的倾角进行动态测量时,倾角仪必须具有很好的瞬态响应,需要给固体摆提供阻尼,以尽快消除自由摆动,常见的方法是采用硅油阻尼。中国专利CN2031913U提出的一种测量铁路左右钢轨高差手推车式的测量　　装置,就对摆锤———差动变压器式倾角仪进行了改进,具体措施就是使用了空气阻尼,空气活塞可能因前后晃动或颤动与壳体接触影响正确测量,这一系统的结构较复杂,制造工艺难度大。文献[3]提出了一种基于加速度传感器和单片机实现的数字倾角仪,具有分辨率高、测量范围大等优点,但瞬态性能较差、稳定速度较慢,只能实现静态测量,无法实现对变化的倾角的测量。

　　本文提供了一种对“摆”使用磁电阻尼和直接采用数字信号测量摆角的改进方法,能够快速消除残余摆动,并直接将摆动转换成数字信号进行测量,利用DSP技术对信号进行四细　　分。与利用单片机实现的测量方法[3]相比具有精度高、能直接测量动态倾角等优点。比如摆式列车中对列车倾角的测量。倾角仪现已在很多场合得到了广泛的应用,比如采用倾角　　仪测量桥梁的静态挠度[4]、利用倾角仪监测高大建筑物的变形[5],以及对加速度的测量等。所以,对倾角仪的研究是具有实际意义和工程价值的,尤其是提出一种具有良好的瞬态性能　　的倾角仪。

　　1　倾角仪的设计思想

　　倾角仪的原理及设计见图1,图中分别为正面视图(左)和左侧剖视图(右)。图中, 1为重力摆片,由于重力作用会保持铅垂位置; 2为磁铁,固定在U形铁上; 3为摆杆,用来连接摆片和编码器。光电编码器为增量式编码器,利用它可测出摆杆转动过的角度。