专利名称：倾斜角测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种倾斜角测量装置，尤其涉及利用加速度传感器故为敏感元件的倾斜角测量装置。
背景技术：
在机械、建筑、石油、地质和电力等工程领域，常常要求精确测量平面相对水平方向的倾斜角，为状态监测或姿态控制提供控制参数。倾斜角测量装置大量用于操作动作频繁、露天等使用环境较恶劣的场合，因此在使用寿命、抗污染能力、可靠性与稳定性以及低成本方面具有很高的要求。现有的大部分倾斜角测量装置是以地球引力方向为基准，基于“摆”的原理设计，常见的有“固体摆”式、“液体摆”式和“气体摆”式。它们都是利用倾斜角度的改变引起电阻、电容或电感等参数的变化来进行检测。当精度要求大于0.1度时，“摆”式倾斜角测量装置结构复杂，成本较高，在使用寿命和环境适应性有一定的局限性。磁敏电阻型倾斜角测量装置虽然无电气触点，使用寿命长，但当使用环境中存在磁场干扰时，会严重影响其可靠性和精度。
发明内容
本实用新型旨在提供一种利用加速度传感器做为敏感元件的倾斜角测量装置，其使用寿命长、环境适应性好，工作稳定可靠，精度可达到0.01度。
为达到上述目的，本实用新型提供了一种倾斜角测量装置，包括倾斜角敏感单元；信号处理单元显示单元，其输入端与信号处理单元相连接，显示测量得到的倾斜角度；电源模块，用以向各单元电路供电；测量装置壳体，上述各部件固定在壳体内，在其底部具有测量面，显示单元位于与测量面相对的平面上；其特征在于所述倾斜角敏感单元是一加速度传感器，当其加速度敏感方向与水平方向倾斜一定角度时，其输出信号与其在加速度敏感方向上所受的加速度成正比；信号处理电路将加速度传感器输出的加速度信号进行变换处理后，输出倾斜角信号。
上述加速度传感器输出与加速度成正比的模拟电压信号。
信号处理单元包括一个低通滤波器，用以滤去信号中的高频干扰；一个模数(A/D)转换器，用将模拟信号转换为数字信号；一个微处理器，根据输入的加速度值计算出测量面的倾斜角；多个数字输出接口，如CAN，RS485，RS232等，用以向其它控制设其它控制设备提供控制信号。
显示单元可以是LED或LCD，用以显示测量面的倾斜角。
在测量装置的壳体上设置有两个双位按键开关，其中一个用于电源开关，另一个用于测量结果的保持。当按下保持键时，显示单元将保持显示当次测量结果，再次按下保持键，恢复实时显示模式。
本实用新型提供的倾斜角测量装置使用方便，环境适应性好，工作稳定可靠。
附图简述下面参照附图和具体实施方式
对本实用新型进行更详细的说明。其中
图1是本实用新型的电路原理框图；图2是本实用新型采用加速度传感器测量倾斜角的示意图；图3是本实用新型的外观示意图；图4是本实用新型的微处理器运行的主程序流程图；图5是本实用新型具体实施例电路原理图的第一部分；图6是本实用新型具体实施例电路原理图的第二部分。
具体实施方式
如图1所示，倾斜角测量装置主要由加速度传感器7、低通滤波器2、模数(A/D)转换器5、微处理器(CPU)3、电源模块4、显示单元9、数字输出接口6和保持键11组成。加速度传感器7输出的电压信号经低通滤波器2滤去信号中的高频干扰，滤波器可以选用常用的有源二阶低通滤波器，其上限截止频率可根据应用场所的要求设定为10-300Hz，在此不做详细描述。模数转换器5将模拟电压信号转换成数字信号，可根据精度要求选用常用的12位或16位模数转换器，本实施例选用的是16位的AD7705。微处理器3对整个测量装置进行控制，完成信号的变换和计算，将加速度传感器输出的加速度值转换为倾斜角度值，并监测保持键11的状态，依据通信协议向显示单元和数字输出接口输出倾斜角度信号。微处理器3选用内部带有程序存贮器的8位单片机AT89C51，可以简化系统，当然也可以选用其它型号的8位或16位单片机，其主程序流程图将在后述部分进行介绍。显示单元9采用16X2字符的LCD显示模块，处于测量模式时，实时显示倾斜角度值，当处于保持模式时，则锁定显示上次的测量结果。两种模式的转换通过保持键11进行控制，保持键11为一个两位按键开关，当按下保持键11时，显示单元将处于保持模式，再次按下保持键，恢复为测量模式。设置的数字输出接口为RS232串行输出口，可以根据需要增加其它标准输出模块，如通过CAN和RS485总线输出，以上的数字输出接口均可在市场上购买相应的芯片或模块，在此不做详细描述。
图2为本实用新型采用加速度传感器测量倾斜角的示意图。众所周知，由于地球引力的作用，物体在地表面时具有垂直向下大小为1g的重力加速度。当加速度传感器的敏感方向与重力加速度方向一致时，其输出值将为1g，反之则其输出为-1g。如果敏感方向与重力加速度方向垂直，即处于水平位置，则其输出为0。如图2所示，当加速度传感器的敏感方向与水平方向呈不同的夹角时，将其输出的加速度值进行反正弦变换，即可求得其倾斜角度。本实用新型正是利用此原理根据加速度传感器测量得到的加速度值来计算倾斜角度值。图2上方所示为传感器分别处于30°、0°、-30°三个测量位置，在敏感方向上的加速度值分别为0.5g、0g和-0.5g。图2中12表示测量面，7表示加速度传感器，下方的表1列出了部分倾斜角度所对应的传感器输出的加速度值。
表1图3为倾斜角测量装置的外观示意图，其中壳体8采用铝合金制造，也可采用不锈钢或工程塑料制造。显示单元9、电源开关10和保持键11位于壳体上表面；测量面位于的壳体下表面(图中未示出)，其经过机械加工，满足测量所需的平面度和表面粗糙度要求。
图4是本实用新型的微处理器运行的主程序流程图。上电复位后，微处理器3首先对各部分进行初始化设置，然后从模数转换器读取加速度传感器输出的加速度值，并采用数字信号处理领域中常用的5点3次平滑滤波程序进行数字滤波，去除因环境干扰或读数时通信错误而引起的奇异点。得到有效的加速度值后，进行反正弦变换，计算得到测量面的倾斜角度，并按照一定的通信协议从数字输出接口输出测量结果。接着判断保持键是否按下，如果保持键按下处于保持模式，则进入下一次的测量；如果处于测量模式，则向显示单元发送新的测量倾斜角度值后进入下一次测量。
权利要求1.一种倾斜角测量装置，其特征在于包括倾斜角敏感单元；信号处理单元显示单元，其输入端与信号处理电路相连接，用以显示测量得到的倾斜角度；电源模块，用以向各单元电路供电；测量装置壳体，上述各部件固定在壳体内，在其底部具有测量面，显示单元位于与测量面相对的平面上；所述倾斜角敏感单元是一加速度传感器，其输出信号与其在敏感方向上所受的加速度成正比；信号处理电路将加速度传感器输出的加速度信号进行变换处理后，输出倾斜角信号。
2.如权利要求1所述的倾斜角测量装置，其特征在于上述加速度传感器的输出为模拟电压信号。
3.如权利要求2所述的倾斜角测量装置，其特征在于信号处理单元中包括一个低通滤波器，用以滤去信号中的高频干扰；一个模数转换器，用将模拟信号转换为数字信号；一个微处理器，根据输入的加速度值计算出测量面的倾斜角；多个数字输出接口，用以向其它控制设备提供控制信号。
4.如权利要求1所述的倾斜角测量装置，其特征在于显示单元是LED或LCD，用以显示测量面的倾斜角。
5.如权利要求1所述的倾斜角测量装置，其特征在于在测量装置的壳体上设置有测量结果保持键，当按下保持键时，显示单元将保持显示当次测量结果，再次按下保持键，恢复为实时显示模式。
专利摘要本实用新型公开了一种倾斜角测量装置，其采用加速度传感器作为敏感元件，主要由加速度传感器(7)、低通滤波器(2)、模数转换器(5)、微处理器(3)、电源模块(4)、显示单元(9)、数字输出接口(6)和保持键(11)组成。加速度传感器(7)输出的电压信号经低通滤波器(2)后通过模数转换器(5)转换成数字信号，微处理器(3)对整个测量装置进行控制，从模数转换器(5)读取加速度值并完成信号的变换和计算，根据加速度值求得倾斜角度值。此倾斜角测量装置使用方便，环境适应性好，工作稳定可靠，可广泛应用于机械、建筑、石油、地质和电力等工程领域。
文档编号G01C9/00GK2738204SQ200520005790
公开日2005年11月2日 申请日期2005年3月10日 优先权日2005年3月10日
发明者高国伟 申请人:高国伟