专利名称：一种便携式的数字化高精度倾角测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种便携式的数字化高精度倾角测量仪。
背景技术：
在建筑，桥梁建设等行业里，倾角的测量是必备的一个环节。有很多情况下，还在 使用传统的倾角测量工具，这种工具往往是指针式的，操作人员在读数的时候往往需要估 读，再加上指针式倾角测量工具本身的精度不够高，使得测量结果有着比较大的偏差，而且 这种测量工具往往体积比较大，携带非常不方便。现在市场上也有一些数字式的倾角测量 仪，可以数字化的显示测量结果。这些测量仪在测量原理上采用摇摆式测量方法，缺点是敏 感质量存在惯性，使得测量仪抗摔，抗震动性能和实时性不够好，在震动比较强烈等环境中 使用的时候测量结果就不稳定；测量结果容易受温度的影响，必须进行复杂的温度补偿算 法，而且有的产品的补偿算法往往是近似估计，没有考虑到不同温度影响的程度；有的产品 采用单片机内部的A/D转换模块进行模数转换，而不是独立的模数转换模块，精度往往不 够高；也有产品虽然用了单独的模数转换模块，但是电源部分没有经过精确处理，电源部分 有波动，模数转换模块精度就远远达不到所标称的精度，而且电源的稳定性对传感器的精 度也有很大影响，电源有波动也会导致传感器精度达不到所标称的精度。
实用新型内容为了克服现有的倾角测量装置的不足，本实用新型采用如下技术方案一种便携式的数字化高精度倾角测量仪，该倾角测量仪包括依次连接的传感器、 转换模块、控制器和显示模块；所述的传感器为双轴重力加速度传感器，双轴重力加速度传 感器内还设有温度传感器；所述的转换模块为A/D转换模块。所述的A/D转换模块采用16位A/D转换芯片。所述的双轴重力加速度传感器的双轴为X轴和Y轴，并且X轴和Y轴互相垂直。所述双轴重力加速度传感器的倾角测量范围为-90°——90°。一种便携式的数字化高精度倾角测量仪的测量方法，该测量方法包括以下步骤Stepl 将倾角测量仪放置在待测物体上；St印2 重力加速度传感器分别测量X轴和Y轴方向上重力加速度的分量，并将两 路测量信号转换成电压信号，送给A/D转换模块进行处理，之后再进行数字化滤波；St印3 将数字化滤波后的结果通过SPI通讯方式传输给控制器进行处理；Step4:控制器利用温度传感器对测量结果进行补偿，将补偿后的数值转换成角度 值用显示器进行显示。在所述st印2中，所述电压信号的范围为0-5V。在所述st印2中，X轴方向上重力加速度的分量表达式为Gx 二 g_sm(a') = g· si η (9 O0 - β) = g_cc.s(历Y轴方向上重力加速度的分量表达式为[0017] 于是,利用Gx ,汤表示的正切值来求得倾斜角度β即 其中，Ox为重力加速度G在X轴上的分量，Gy为重力加速度G在X轴上的分量，g
为重力加速度，α为Y轴与重力加速度方向的夹角,β为1轴与重力加速度方向的夹角。在所述step4中，所述测量结果的补偿过程如下设温度传感器采集到的温度值为T，测量误差为Offcorr，倾角测量取值为 Tempvalue,而实际取值为value,则 于是value = Tempvalue — Offcorr其中，Offcorr为测量误差，T为温度值，value为倾角测量的实际取值，Tempvalue 为倾角测量的测量值。本实用新型的有益效果是它采用数字化显示，方便读数；体积小，重量轻，功耗 低，可以用电池供电，便于携带；测量精度高；它工作稳定，实时性好，使得倾角测量变得方 便而快捷；抗摔能力和抗震动能力比较强，可以在比较恶劣的环境中使用；采用双轴倾角 测量传感器来测量单轴方向的倾角，可以有效的抑制温度对测量结果的影响，再加上软件 部分的滤波算法，双重补偿模式大大的抑制了温漂的影响。
图1是本实用新型原理结构示意图；图2是倾角测量初始位置示意图；图3是倾角测量仪与初始位置成一定角度的示意图；图4是测量结果数字化滤波流程图；图5是本装置电路图；图6是本装置外形示意图；其中1为重力加速度传感器；2为A/D转换模块；3为控制器；4为显示模块；5为 装置外壳；6为数码管；7为指示灯；8为电源开关。
具体实施方式
以下结合附图和实施例作进一步的说明一种便携式的数字化高精度倾角测量仪，该倾角测量装置采用垂直架构的方式， 灵敏轴互相垂直。将该倾角测量仪5平行放置在待测物体上，分别用于测量同一个方向的 倾角，测量结果分别为相应倾角的正弦值和余弦值，然后把结果相除，得到倾角的正切值， 从而得到所测的倾角。本装置采用双轴输出的重力加速度传感器1来测量倾角。假设传感器的两个灵敏轴分别为X轴和Y轴，X轴与Y轴在同一平面内互相垂直。相应的，就有两条完全相同的加 速度信号传输路径一条用于测量X轴方向上重力加速度的分量；一条用于测量Y轴方向 上的重力加速度分量。当传感器处于水平方向时，X轴和Y轴所形成的平面与重力加速度 方向垂直，此时重力加速度在X轴和Y轴方向的分量都为零。当传感器与水平方向形成一 定夹角时，则X轴与Y轴所形成的平面与重力加速度方向不垂直，则重力加速度会在χ轴和 Y轴方向形成一定的分量，其大小与倾角大小正相关。此时通过X轴、Y轴上的敏感轴可以 测量到X轴、Y轴上的重力加速度分量。然后通过一定的计算来求出相应的倾角值。除了 测量重力加速度之外，还有内置的温度传感器，对温度进行采集，从而为后续的温漂抑制算 法提供参数，提高温漂抑制效果。为了抑制温度对测量结果的影响，本实用新型用两路重力加速度的测量来测量单 路的倾角。令传感器的初始位置如图2所示。当传感器与重力加速度方向形成一定夹角时， 如图3所示。于是
(3)其中，Gz分别为重力加速度G在X轴上的分量，g为重力加速度，α为Y轴与重 力加速度方向的夹角，β为χ轴与重力加速度方向的夹角。因此，倾斜角度β可以用Gx, Gy表示的正切值来求得，即:
(4)其中，Gx，G 分别为重力加速度在X轴和Y轴上的分量，β为X轴与重力加速度 方向的夹角。公式(4)中β的取值范围可以在-90°到+90°之间。垂直架构的倾角测量装置 使得在180度范围内都有着比较高的精确度和分辨率，满足了工业现场对倾角测量范围和 精确度的要求。另外，由于重力加速度传感器1具有可重复性的温度特性，两个轴的输出具 有相同的温度变化幅度，这对于比值计算不会产生太大的影响，因此，这种测量方式可以有 效的降低温度对灵敏轴产生的影响。很多控制器3本身带有A/D转换功能，但是精度往往不高，大部分集成的A/D转换 芯片只能达到10位的精度。本实用新型为了提高精度，采用16位独立的A/D转换芯片。 本系统的电路图如图5所示。电源处理芯片对电源进行稳压处理，给对电源相当敏感的倾 角测量芯片和A/D转换芯片进行供电。倾角测量芯片将重力加速度传感器1的信号转换成 0-5V的电压信号，送给A/D转换芯片进行处理，A/D转换芯片再将转换结果通过SPI通讯方 式传输给控制器3进行处理。敏感轴上的输出信号由高精度的A/D转换模块2转换成数字量送入相应的智能处 理模块即控制器3当中，控制器3中对测量结果进行相应的补偿处理。本系统所采用的温度 传感器经过大量的实验数据，总结出来了抑制温度的近似公式。假设温度传感器采集到的 温度值为Τ，测量误差为Offcorr，倾角测量取值为Tempvalue，而实际取值为value，则
(1)其中，Offcorr为测量误差，T为温度值；于是[0050]value = Tsmpvalue - Offcorr⑵其中，value为倾角测量的实际取值，Tempvalue为倾角测量值。由于本实用新型可能用于比较恶劣的环境当中，外界各种干扰有可能影响测量结 果的精度，甚至可能使个别测量结果产生错误。为了进一步提高该装置的工作稳定性，我们 对A/D转化的结果进行数字化滤波。具体流程图如图4所示，对采样的50个数值进行排序， 然后取其中间的30个结果进行取平均值。对于数字化滤波之后的测量结果值，本装置采用LED数码管进行显示。对于数码 管6的控制，主要由数据信号和数码管位选择信号组成。本系统采用动态扫描方式，所有的 数码管6共用8位数据线，利用人的视觉停留现象，20ms内将所有的数码管6显示器扫面一 遍，在某一时刻，只有一位亮。本装置的使用如图6所示。把装置的外壳放在需要测量的倾角上，保持外壳与所 测量角度平行，打开电源开关8，指示灯亮则说明装置已经正常启动，此时数码管6显示的 数值即为外壳的倾角。这个数值会随着外壳倾斜角度的变化而实时的变化。
权利要求一种便携式的数字化高精度倾角测量仪，其特征是，该倾角测量仪包括依次连接的传感器、转换模块、控制器和显示模块；所述的传感器为双轴重力加速度传感器，双轴重力加速度传感器内还设有温度传感器；所述的转换模块为A/D转换模块。
2.如权利要求1所述的一种便携式的数字化高精度倾角测量仪，其特征是，所述的A/D 转换模块采用16位A/D转换芯片。
3.如权利要求1所述的一种便携式的数字化高精度倾角测量仪，其特征是，所述的双 轴重力加速度传感器的双轴为X轴和Y轴，并且X轴和Y轴互相垂直。
4.如权利要求3的便携式的数字化高精度倾角测量仪，其特征是，所述双轴重力加速 度传感器的倾角测量范围为_90° — 90°。
专利摘要本实用新型公开了一种便携式的数字化高精度倾角测量仪。用重力加速度传感器测量灵敏轴方向的加速度分量，间接反应倾角的大小，测量结果由专门的高精度A/D转换芯片进行转换，测量结果由控制器进行滤波处理，并用数码管进行显示。该装置体积小，重量轻，可以采用电池供电，便于携带；可以有效抑制温度对测量结果的影响；具有比较强的抗震动能力；测量精度与传统测量仪相比有很大提高。
文档编号G01C9/00GK201688837SQ20102019401
公开日2010年12月29日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者乔旭兴, 刘海法, 郑鹏飞, 陈晓军, 陈清玫, 马思乐 申请人:山东大学