基于过采样技术的高精度倾角测量仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种倾角测量仪，具体说的是基于过采样技术的高精度倾角测量仪。
【背景技术】
[0002] 倾角测量仪是测量水平面倾斜角的装置，在天文仪器、房屋建筑、地质测量、航空 航天、医学、船舶、精密自动化设备、机器人、铁路桥梁等工程技术领域有着广泛的应用。目 前已有的倾角测量仪主要可以分为机械式、光学式和电子式。
[0003] 大多数行业测量角度时依然沿用传统的水泡式水平仪。其检测方法是通过水泡的 位置结合操作经验来判断是否水平。液体中的气泡具有很强的不稳定性，易受扰动，对水平 度的判断只能大致估算，且不能指示出具体的倾斜度，无法进行量化处理，故应用范围十分 有限。光学倾角仪主要以光学象限仪为主，利用光学刻度盘中的读数来计算角度的大小，但 光学象限仪精度低、机构复杂，防震性能差、不易维护，已不能满足数字化高精度测量的要 求。电子式倾角测量仪能够利用倾角传感器将水平面的倾斜度转化为具体的数字信号或模 拟信号送给专用的处理器进行运算。一般的电子式倾角测量仪大多采用悬挂的微型自由摆 锤结构，测量时摆锤受重力影响指向地心，当倾角测量仪和水平面有倾角时，摆锤和水平面 就会有夹角，造成和摆锤相连的感应线圈的电压或极板间电容值发生改变，通过运算电路 得出相应的倾角值。这类倾角测量仪抗震性能差、体积较大且价格较高。因此，设计精度高、 便携性好、稳定性强的电子水平仪意义重大。
【发明内容】
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于过采样技术的高精度倾角测量仪，采 用微加速度计FXLN8361为测量元件，高性能低功耗单片机MSP430F5529作为控制器，利用 双轴测量法对被侧面的倾斜进行检测，实现了倾角灵敏度的恒定。通过过采样算法，能够将 测量的最小角度从0.8°提高至0.05°。
[0005] 为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：基于过采样技术的高精度倾角测量 仪，其特征在于：包括FXLS8471Q微加速度计和MSP430F5638控制器，FXLS8471Q微加速度 计通过调理电路将采集信号送入MSP430F5638控制器进行转换，MSP430F5638控制器采用 过采样算法以及双轴倾角计算将采集信号的转换结果传输给显示单元进行显示，，使测量 的最小角度达到0.05°。
[0006] 本发明所述的调理电路采用AD623放大器构成。
[0007] 本发明有益效果是：采用微加速度计FXLN8361为测量元件，使用高性能低功耗单 片机MSP430F5529作为控制器。利用双轴测量法对被侧面的倾斜进行检测，实现了倾角灵 敏度的恒定。通过过采样算法，能够将测量的最小角度从0.8°提高至0.05°。对测量仪进 行校准后，通过实验得出最小可测量的角度和理论分析的基本吻合。测量对比实验结果经 过线性拟合分析后，得出曲线斜率的标准差为：截距标准差为〇. 00277。线 性误差小于0. 00525%。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明的结构示意图； 图2为本发明的双轴测量原理图； 图3为本发明的四象限测量示意图； 图4为本发明的FXLN8361电路图； 图5为本发明的调理电路图； 图6为本发明的分辨力实验图； 图7为本发明的测量结果对比图。
【具体实施方式】 [0009] 1水平仪组成 水平仪的核心器件是能够检测重力随倾角变化的传感器。本测量仪采用飞思卡尔公 司最新的差动电容式三轴加速度传感器FXLN8361，采用模拟量输出。由于传感器输出的信 号不可避免的具有噪声，并且电平的变化范围也不在单片机处理的理想范围内。所以在传 感器和单片机之间加入了集成运算放大器对信号进行处理。使用TI公司的高性能单片机 MSP430F5529做为控制核心，该单片机内部的RAM达到了 10KB，能够满足数据缓存的需要。 程序存储空间FLASH达到128KB，使得单片机内部空间能够满足运算程序的存储。内部具有 多路时钟选择寄存器BCM(Basic Clock Module)，可以根据程序运算的需要，为不同的模块 分配不同的时钟频率，降低功耗提高运算效率。同时该单片机内部的具有12位的ADC，采 用过采样技术进一步提高分辨率后，可以实现高精度的倾角检测。测量仪的系统框图如图 1所示。
[0010] 2倾角测量方法分析 2. 1单轴倾角计算 采用单轴测量，测量轴加速度的输出和倾角的变化有如下关系：
其中为测量轴的加速度值，倾角1的单位为弧度。根据已有的测量方法和经验，在 倾角很小的时候，这种测量关系具有很好的灵敏度。当测量轴和水平面的夹角增加时，灵敏 度会降低。这种线性关系的误差就会增加，当倾角接近90度时，倾角的变化几乎不会影响 测量结果的变化，使测量无法进行。从而产生的限制是需要高分辨率的ADC芯片来实现大 范围的有效倾角测量，现有的ADC芯片难以达到要求。因此测量角度的关键问题是解决灵 敏度随倾角增加而逐渐下降的问题。
[0011] 2.2双轴倾角计算 本文采用增加一个和原有测量轴垂直的测量轴的办法来解决这个问题。其测量原理如 图2所示。
[0012] 使用双轴测量会使得测量仪具备恒定的灵敏度。由于双轴垂直关系，X轴检测的 加速度和夹角的正弦成正比，Y轴检测的加速度和对应夹角的余弦成正比。由于测量轴的 倾角接近于〇度时的灵敏度最高，所以双轴垂直测量时总有一个轴的加速度变化率被最先 识别。当倾角增加时，一个轴的灵敏度下降必然伴随着另一个轴灵敏度的增加。其结果是 灵敏度的数值基本保持恒定。
[0013] 因此，可以将测量方法改为：计算X轴的反正弦函数和Y轴的反余弦函数，计算二 者的比值，可得：
费:单位为弧度。
[0014] 使用双轴测量能够使水平仪区分各个像限并在整个360度范围内测量角度，如图 3所示。
[0015] 每个像限都具有和X轴和Y轴的加速度符号相关的组合。可以通过加速度计采集 的数据大小来判断某一倾角时加速度计所处的像限。
[0016] 3过采样算法 由于采用了双轴倾斜测量法，传感器在测量范围内的灵敏度是恒定的，因此倾角测量 时的分辨率就由ADC芯片的分辨率来决定。测量仪采用了 12位的片内ADC，配合过采样算 法可以在不增加硬件的基础上大大提高分辨率。
[0017] 过采样技术是采用高于Nyquist奈奎斯特采样频率的ADC采样速率对模拟信号进 行采样。根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须高于被采样频率的2倍以上才能够可靠的 复现被采样信号。采样信号的奈奎斯特频率f n定义为： fn=2fn (4) fm为被米样?目号最尚频率，当米样频率f s尚于f "时，称为过米样，用过米样率来表不：
一般情况下会有小于fs/2的干扰成分混叠在测量频带内，用带内噪声能量密度谱 (ESD)表示为： E(f) =