专利名称：一种电子倾角传感器的温度补偿方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子倾角传感器温度补偿方法和装置，尤其是一种对力平衡式伺服倾角传感器进行温度补偿的方法和装置。
背景技术：
电子倾角传感器广泛应用于军事武器系统、航天、舰艇、轮船、海上采油平台、桥梁、高层建筑等领域的倾斜角测量中。从工作原理上来分，可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”式三种。目前国外电子倾角传感器的分辨率很高，力平衡式伺服系统倾角传感器的分辨率为0.2″，液体摆式倾角传感器的分辨率达到0.02″；国内研制的电子倾角传感器分辨率比国外同类产品要低得多。其中，力平衡式伺服系统倾角传感器的分辨率为60″，液体摆式倾角传感器的分辨率为2″，气体摆式倾角器分辨率为36″。由于气体的运动控制较为复杂，且影响运动的因素较多，高精度气体摆式倾角器还处于实验研究阶段，液体摆式倾角传感器虽然有较高的分辨率，但存在线性度和重复性差的缺陷，无法满足军用武器系统应用的要求。
力平衡式伺服电子倾角传感器具有线性度高(可达到万分之5)、重复性好、迟滞小、温度漂移线性度好，工作温度范围宽、抗冲击能力强、抗震动性能好等诸多优点。它由非接触位移传感器、力矩马达、误差和放大电路、反馈电路、悬臂质量块等五部分组成。其中悬臂质量块与力矩马达的电枢连接在一起，非接触位移传感器用于检测质量块的位移。力平衡式伺服电子倾角传感器的工作原理是当电子倾角传感器发生倾斜θ角度时，悬臂质量块m便离开原来的平衡位置而产生力矩T＝mgl sinθ(l是质量块的等效悬臂长度，g是重力加速度)，非接触位移传感器检测出该变化后，将位置信号送入误差和放大电路，一方面传感器输出与倾角成一定比例的电流i；另一方面，该信号经反馈电路送入力矩马达的线圈，此时，力矩马达会产生一个与悬臂质量块运动方向相反、大小相等的力矩Toc，力图使悬臂质量块回到原来的平衡位置，该力矩跟力矩T相平衡，直到敏感质量块m再次恢复到平衡位置，即在平衡状态下Toc＝T。这时，传感器输出的信号才是真正有效信号。
由于非接触位移传感器、悬臂质量块等部件的特性随着温度的变化而变化。因此电子倾角传感器的输出受到环境温度的影响，会出现温度漂移现象，如果不对其进行温度补偿，就无法满足军事和航天领域在宽工作温度范围(-40℃～+85℃)水平倾斜角测量的精度要求。传统的温度补偿措施是增加热敏元件，通过在桥路中串接热敏元件来感应温度的变化，要求热敏元件的温度变化系数与电子倾角器的温度变化系数成比例，且热敏元件存在精度低、线性度和重复性差等缺点，给元器件选型及电子线路设计带来困难。
发明内容
本发明为解决力平衡式伺服系统电子倾角传感器的温度漂移问题，而提出一种力平衡式伺服系统倾角传感器的温度补偿方法及装置。
本发明的技术解决方案是一种电子倾角传感器温度补偿方法，其特殊之处在于该方法包括以下步骤1)将电子倾角传感器输出的与倾斜角正弦成比例的模拟信号滤除高频噪声后，转换成数字信号AD；2)实时测量电子倾角传感器周围的环境温度，得到温度变化量ΔT；3)根据温度补偿计算公式AD=K_AD*B0+K_AD*B_Temp*ΔT+K_AD*S.F.[1+S.F._Temp*ΔT]*π3600*180*Tilt]]>计算得出补偿后的倾斜角Tilt，其中，AD表示A/D转换器输出的数据；K_AD表示AD转换器的输出斜率，单位1/伏；B0表示基准零偏电压，单位伏；B_temp表示零点偏差系数，单位伏/℃；ΔT表示温度变化量，单位℃；S.F._Temp表示比例因子的温度变化系数；一种实现上述电子倾角传感器温度补偿方法的温度补偿装置，其特殊之处在于该装置包括电子倾角传感器101、滤波器102、A/D转换器103、单片机105、温度传感器106和电源107，电子倾角传感器101输出的模拟电压信号经过滤波器102波器后，送入到A/D转换器103，将其转换成数字角度信息，然后通过I2C总线送入单片机105，温度传感器106实时测量电子倾角传感器101周围的环境温度，通过I2C总线送入单片机105，电源107给整个温度补偿装置供电。
上述装置还包括有输出电路106，单片机105计算出温度补偿后的数字倾斜角通过输出电路106输出。
上述电子倾角传感器101采用LCF-100或LCF_160/165型电子倾角器。
上述滤波器102采用OPT27、OPT37或MXL1007型二阶滤波器。
上述A/D转换器103采用ADS1210、AD667、AD7663或AD7665型A/D转换器。
上述单片机105采用AT89C52、AT89C51或AT89C55型单片机。
上述温度传感器104采用DS1624、DS6129或DS1631型温度传感器。
本发明的温度补偿原理为电子倾角器输出的模拟电压V与倾斜角度θ的正弦近似成线性关系，在环境温度为20℃、倾斜角为0°时，电子倾角器的输出含有零点偏差V0；随着温度的变化，倾斜角-输出电压曲线将上下平移，其平移量为ΔV＝K*t(1)其中K为零点偏差系数，单位V/℃；t为环境温度，单位℃；ΔV为零点偏差值，单位伏。因此电子倾角器输出的模拟电压随温度变化的理想方程为V＝V0+ΔV+K0*sin(θ)＝V0+K*t+K0*sin(θ) (2)其中K0是电子倾角器的转换比例因子。
由于电子倾角器的测量范围为±1°，可以用弧度值替代角度的正弦值，其计算误差为 此值可以忽略不计。则公式(2)简化为V＝V0+K*t+K0*θ (3)从公式(3)可以看出，倾斜角度θ是随环境温度线性变化的函数，因此为了使电子倾斜角测量装置满足在宽工作温度范围内的测角精度，必须对倾角器输出的电压进行温度补偿，其原理就是利用公式(3)消除K*t项。具体补偿方法是单片机AT89C52通过P1口实时采集环境温度和倾角器输出电压，根据已知的零点温度系数计算出ΔV，消除由于温度变化引起的偏差，计算出修正后的倾斜角度值。
电子倾斜角器温度补偿计算公式为output＝Bias+S.F.*sin(Tilt+Alig) (4)公式(4)中output、Bias分别表示倾角器的输出电压和零偏电压，单位伏；Tilt，Alig分别表示测量角度和修正角度，单位弧度；S.F.表示转换比例因子。
考虑温度系数并统一单位，公式(4)变为ADK_AD=B0+B_Temp*ΔT+S.F.[1+S.F._Temp*ΔT]*π3600*180*Tilt---(5)]]>公式(5)中AD表示A/D转换器输出的数据；K_AD表示AD转换器的输出斜率，单位1/伏；B0表示基准零偏电压，单位伏；B_temp表示零点偏差系数，单位伏/℃；ΔT表示温度变化量，单位℃；S.F._Temp表示比例因子的温度变化系数；这里先假设公式(4)中Alig＝0°，则公式(5)变为AD=K_AD*B0+K_AD*B_Temp*ΔT+K_AD*S.F.[1+S.F._Temp*ΔT]*π3600*180*Tilt]]>令O0＝K_AD*B0(6)OT＝K_AD*B_Temp*ΔT (7)KT=K_AD*[S.F.+S.F._Temp*ΔT*S.F.]*π3600*180---(8)]]>则计算公式变为AD＝O0+OT+KT*Tilt (9)综上所述，只要分别计算出O0，OT和KT，然后根据公式(9)即可计算出修正后的倾斜角度值Tilt。因此，利用基于此原理的本发明的方法，可得到补偿温度后的倾斜角度值Tilt，也就是说可得到消除温度漂移影响后准确的倾斜角度值Tilt，同时应用本发明的方法得出的温度补偿装置，具有测量精度和稳定性高、线性度和重复性好等优点，通过T3经纬仪在-40℃-+85℃温度范围的测量精度可以达到3″，其适用各种力平衡式伺服系统电子倾角传感器的温度补偿，其温度补偿参数可通过串口中断方式修改，因此本发明可以广泛应用于高精度倾斜角测量系统。
四
图1本发明装置的结构示意图；图2为本发明较佳实施例的程序流程图。
五具体实施例方式
本发明的方法包括以下步骤1)将电子倾角传感器输出的与倾斜角正弦成比例的模拟信号滤除高频噪声后，转换成数字信号AD；2)实时测量电子倾角传感器周围的环境温度，得到温度变化量ΔT；3)根据温度补偿计算公式AD=K_AD*B0+K_AD*B_Temp*ΔT+K_AD*S.F.[1+S.F._Temp*ΔT]*π3600*180*Tilt]]>计算得出补偿后的倾斜角Tilt，其中，AD表示A/D转换器输出的数据；K_AD表示AD转换器的输出斜率，单位1/伏；B0表示基准零偏电压，单位伏；B_temp表示零点偏差系数，单位伏/℃；ΔT表示温度变化量，单位℃；S.F._Temp表示比例因子的温度变化系数，该公式中，除AD、ΔT、Tilt外，其他均为常量。
参见图1，本发明的装置包括电子倾角传感器101、滤波器102、A/D转换器103、单片机105、温度传感器106和电源107，由于电子倾角器传感器101输出的模拟电压含有高次谐波，因此其输出的模拟电压信号通过滤波器102滤除输出信号的高频分量后，送入到A/D转换器103，将其转换成数字角度信息，然后通过I2C总线送入单片机105，温度传感器106实时测量电子倾角传感器101周围的环境温度，通过I2C总线送入单片机105，电源107给整个温度补偿装置供电，本发明的装置还可包括有输出电路106，单片机105计算出温度补偿后的数字倾斜角通过输出电路106输出。
其中电子倾角传感器101采用LCF-100或LCF_160/165型电子倾角器。
滤波器102采用OPT27、OPT37或MXL1007型二阶滤波器。
A/D转换器103采用ADS1210、AD667、AD7663或AD7665型A/D转换器。
单片机105采用AT89C52、AT89C51或AT89C55型单片机。
温度传感器104采用DS1624、DS6129或DS1631型温度传感器。
下面结合较佳实施例对本发明做进一步的详述电子倾角传感器101选用Jewell instruments公司生产的LCF-100型电子倾角器，它属于力平衡式伺服系统电子倾角器，测量范围±1°，其输出为模拟电压，与倾斜角度的正弦成正比。该倾角器具有分辩率高、响应速度快、线性度好等特点。LCF-100型电子倾角器输出的模拟电压含有高次谐波，因此其输出的模拟电压信号通过OPT27型二阶滤波器滤除输出信号的高频分量后，送入到A/D转换器103，A/D转换器103采用Burr-Brown公司的ADS1210P型A/D转换器，它是一种24位分辩率、宽动态范围、单5V供电、带自校正功能的∑-Δ高精度A/D转换器，其内部由可编程增益放大器，二阶∑-Δ调制器，调制器控制单元，三阶数字滤波器，微控制器，寄存器组，基准参考源和时钟电路等组成。ADS1210P型A/D转换器将转换的数字量通过I2C总线传送到单片机105。单片机105选用Atmel公司的AT89C52型单片机，它是一种带8K字节闪存的高性能微处理器，与Intel公司的80C52完全兼容。温度传感器104选用Dallas Semiconductor公司的DS1624型数字温度传感器，它具有测量精度高，测量温度范围宽，易与单片机接口等特点，其内部还带有256字节的E2ROM，用于存贮测量系统的修正参数。DS1624型数字温度传感器实时采集LCF-100型电子倾角器的周围环境温度，将采集的温度值通过I2C总线送入AT89C52型单片机。AT89C52型单片机是本发明装置的核心，利用其灵活的P1口与ADS1210P型A/D转换器、DS1624型数字温度传感器构成I2C总线对LCF-100型电子倾角器的倾斜角和环境温度进行实时采集，并根据温度补偿公式对采集的数据进行计算处理，把计算结果以串口中断方式通过RS-422接口传送到上位机。
参见图2，本发明较佳实施例的具体程序如下步骤201初始化DS1624。单片机AT89C52通过P0口向DS1624写初始化命令字。
步骤202初始化ADS1210P。单片机AT89C52通过P0口向ADS1210写初始化命令字。
步骤203从EEROM中读取数据，在设计中，已将电子倾角传感器温度补偿的相关参数存放在DS1624的EEROM中，如固定零偏差，零偏的温度系数，比例因子，比例因子的温度系数，A/D的转换比例，A/D转换器的Turbo设置，在每次加电启动时，单片机AT89C52都要通过I2C总线从DS1624的EEROM中将这些参数读到RAM中，以便后面的程序使用。
步骤204计算固定零偏差，根据公式O0＝K_AD*B0(6)，计算出O0。
步骤205采集温度，读取DS1624采集到的实时温度，并将其存放在RAM相应的存储空间中。
步骤206计算与温度有关的系数，根据公式OT＝K_AD*B_Temp*ΔT(7)和KT=K_AD*[S.F.+S.F._Temp*ΔT*S.F.]*π3600*180]]>(8)计算出OT和KT。
步骤207采集LCF-100的数据，单片机AT89C52读取ADS1210P转换后的数据，将其存放在RAM中响应的单元中。
步骤208计算结果，根据公式AD＝O0+OT+KT*Tilt (9)计算出补偿后的倾斜角。
步骤209判断是否采集计算了10次数据，为了提高精度，每次都计算10次数据，再做平滑。如果已经采集计算出了10次数据，则转到步骤205；如果还未采集10次数据，则转步骤207继续采集倾角器的数据，再计算结果。
权利要求
1.一种电子倾角传感器温度补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)将电子倾角传感器输出的与倾斜角正弦成比例的模拟信号滤除高频噪声后，转换成数字信号AD；2)实时测量电子倾角传感器周围的环境温度，得到温度变化量ΔT；3)根据温度补偿计算公式AD=K_AD*B0+K_AD*B_Temp*ΔT+K_AD*S.F.[1+S.F._Temp*ΔT]*π3600*180*Tilt]]>计算得出补偿后的倾斜角Tilt.其中，AD表示A/D转换器输出的数据；K_AD表示AD转换器的输出斜率，单位1/伏；B0表示基准零偏电压，单位伏；B_temp表示零点偏差系数，单位伏/℃；ΔT表示温度变化量，单位℃；S.F._Temp表示比例因子的温度变化系数。
2.一种实现权利要求1的电子倾角传感器温度补偿方法的温度补偿装置，其特征在于该装置包括电子倾角传感器(101)、滤波器(102)、A/D转换器(103)、单片机(105)、温度传感器(106)和电源(107)，所述电子倾角传感器(101)输出的模拟电压信号经过滤波器(102)波器后，送入到A/D转换器(103)，将其转换成数字角度信息，然后通过I2C总线送入单片机(105)，温度传感器(106)实时测量电子倾角传感器(101)周围的环境温度，通过I2C总线送入单片机(105)，电源(107)给整个温度补偿装置供电。
3.根据权利要求2所述的电子倾角传感器的温度补偿装置，其特征在于该装置还包括有输出电路(106)，单片机(105)计算出温度补偿后的数字倾斜角通过输出电路(106)输出。
4.根据权利要求2所述的电子倾角传感器的温度补偿装置，其特征在于所述电子倾角传感器(101)采用LCF-100或LCF_160/165型电子倾角器。
5.根据权利要求2所述的电子倾角传感器的温度补偿装置，其特征在于所述滤波器(102)采用OPT27、OPT37或MXL1007型二阶滤波器。
6.根据权利要求2所述的电子倾角传感器的温度补偿装置，其特征在于所述A/D转换器(103)采用ADS1210、AD667、AD7663或AD7665型A/D转换器。
7.根据权利要求2所述的电子倾角传感器的温度补偿装置，其特征在于所述单片机(105)采用AT89C52、AT89C51或AT89C55型单片机。
8.根据权利要求2所述的电子倾角传感器的温度补偿装置，其特征在于所述温度传感器(104)采用DS1624、DS6129或DS1631型温度传感器。
全文摘要
本发明涉及一种电子倾角传感器温度补偿方法。解决方案包括以下步骤1)将电子倾角传感器输出的与倾斜角正弦成比例的模拟信号滤除高频噪声后，转换成数字信号AD；2)实时测量电子倾角传感器周围的环境温度，得到温度变化量ΔT；3)根据温度补偿计算公式AD=K_AD*B
文档编号G01C9/02GK1908582SQ20051004304
公开日2007年2月7日 申请日期2005年8月2日 优先权日2005年8月2日
发明者胡晓东, 邱仁峰 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所