平面倾斜自动测量系统的研究

         实际应用中常需要对平面的倾斜度进行测量。通常用水准器进行测量,测量范围小,稳定时间长,且不便于测出平面的倾角。当倾角较大时,目前尚缺少更好的测量方法。文中介绍的系统就是在这方面的尝试,实验结果表明,该系统具有测量范围大(小于60℃),精度高(误差小于30″)的特点,并能迅速给出测量结果。

        系统的构成环节

　　整个测量系统由传感环节、A/D转换环节、测频和接口电路以及微机处理系统和测量结果打印等环节构成,其框图如图1所示。

　　传感环节将被测的倾角θ转换成电量(电流或电压),经A/D转换环节将电量转换成频率信号,再经测频和接口电路将与θ有确定关系的频率信号送入微机,经过微机进行数据处理,可以实时、自动显示并打印测量结果。

　　传感环节的结构

　　传感环节主要由力平衡式加速度计构成的基础部分、直角棱镜及温控系统构成。力平衡式加速度计将被测量值转换成电量输出,直角棱镜用其直角面的法线确定系统的初始方位,温控系统为加速度计提供一个恒温环境,提高系统的温度适应性。

　　1.基础部分

　　传感环节的基础部分由两个输入基准轴互相垂直安置的加速度计构成。两个加速度计的输入基准轴同时平行于传感环节的基面(安装基面)。当安装基面处于水平位置时,两个加速度计的输入基准轴就构成了平行于水平面的平面直角坐标系。

　　2.力平衡式加速度计

　　图2为力平衡式伺服加速度计原理图,主要由质量m、弹簧K、位移传感器W、伺服放大器S和力发生器F等主要部分构成。当壳体A沿敏感轴x方向感受到被测加速度时,质量便相对壳体A产生位移z,该位移量由位移传感器W检测后,转换成电压输出,再经伺服放大器S放大,并输出反馈电流I,供给力发生器F,产生使质量恢复到初始位置的作用力FI。该力与惯性力平衡时,质量便停止运动,处于与加速度相应的某一新的位置。这时由位移传感器W输出的电压由伺服放大器放大后而输出的反馈电流(或由采样电阻获得的电压)就反映了被测加速度的大小。

　　经推导得到:

　　即输出电流与加速度a成近似线性关系。因而可以通过检测反馈电流I测量加速度。

　系统的工作原理

　　1.加速度计敏感轴方向输入加速度a与敏感轴倾斜角θ的关系设加速度计敏感轴与水平位置夹角为θ,如图3所示,敏感轴上重力加速度的分量为a=gsinθ。若以重力加速度g为单位,则a=sinθ。

　　2.平面相对水平面倾斜角度r与加速度计敏感轴方向加速度间的关系