双轴倾角仪及标定方法与流程

本发明属于测量设备领域，特别涉及双轴倾角仪及标定方法。

背景技术：

高精度倾角仪在车辆底盘调平检测，高塔或高楼监测，桥梁与大坝监测和高精度激光平台设备等各个领域都有广泛的应用，目前市场上的高精度双轴倾角仪在大量程的情况下精度不高，不能满足实际应用的需求。

在目前市场上双轴倾角仪所采用的方案中，较为主流的是使用一个双轴加速度计就可以测量两个相互垂直方向上的倾角值。

当加速度计水平布置时，使用一个双轴加速度计就可以测量两个相互垂直方向的情景值。但是从加速度计的测量原理和其计算方法式中分析可知，当其测量范围不超过±60°，其测量的误差较小，当测量范围超过±60°时，测量误差明显增大。由于arcsin函数出现了明显的非线性特性。当测量的倾角值趋近与90°，几乎无法测量。

在实际工程应用中，由于加速度计安装会存在安装误差，各个检测轴不是完全正交安装，当其中一个轴变化时，其它轴向也会有较大的变化，最终影响倾角仪交叉耦合，目前市场上倾角仪交叉耦合在2％以上。由于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)传感器的固有特性，传感器的非线性会极大的影响倾角仪测量角度的精度，在现有产品中一般都会默认传感器的输出是线性的，这样会是倾角仪测量误差加大。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了通过添加测量垂直方向测量值的加速度传感器，提高测量仪测量精度的双轴倾角仪。

为了达到上述技术目的，本发明提供了双轴倾角仪，所述双轴倾角仪，包括：底座，安装在底座上的倾角传感器，以及从倾角传感器获取测量值的信号处理设备，在信号处理设备的输出端连接有RS232输出端；

其中，倾角传感器包括水平安装在底座上的双轴传感器，以及垂直安装在底座上的加速度传感器；

在双轴倾角仪所处的空间建立空间三维坐标系，其中X、轴Y轴表示水平面中相互垂直的两个坐标轴，Z轴表示与水平面垂直的坐标轴。

可选的，所述双轴传感器为用于测量X轴与Y轴加速度的SCA100T芯片。

可选的，所述加速度传感器为用于测量Z轴加速度的SCA61T芯片。

可选的，所述信号处理设备为安装有Matlab计算软件的计算机，所述计算机用于从倾角传感器获取测量值，将测量值进行模数转换，将模数转换后的结果通过RS232输出端输出。

可选的，所述信号处理设备为安装有Matlab和读取和发送信息的上位机软件的计算机，上位机通过与下位机通信采集传感器信息，Matlab处理计算所采集的信息得到标定参数发送给下位机进行传感器标定。

可选的，所述RS232输出端为支持RS232传输协议的输出设备。

另外，本发明实施例还提供了双轴倾角仪的标定方法，所述标定方法包括：

使用双轴倾角仪对当前状态进行监测；

获取双轴倾角仪在空间三维坐标系内X轴上的测量值分别为1g和-1g时，的第一测量值集合；

获取双轴倾角仪在空间三维坐标系内Y轴上的测量值分别为1g和-1g时，的第二测量值集合；

获取双轴倾角仪在空间三维坐标系内Z轴上的测量值分别为1g和-1g时，的第三测量值集合；

将第一测量值集合、第二测量值集合、第三测量值集合传输至信号处理设备，逐步进行交叉耦合补偿、标度因数零偏标定、夹角标定和非线性补偿，完成双轴倾角仪的标定。

可选的，所述夹角标定，包括：

将双轴倾角仪的底座与水平面的夹角分别调整为45°、135°、-135°、-45°，读取双轴倾角仪输出的夹角值；

将夹角值传输至信号处理设备，通过Matlab软件进行计算后，经由RS232输出端传输至下位机。

可选的，所述夹角标定，包括：

将双轴倾角仪的底座与水平面的夹角从-90°开始调节，每增加5°获取一个测量值，至90°停止；

将采集到的测量值传输至信号处理设备，通过Matlab软件计算后得到线性补偿数据，线性补偿数据传输至下位机。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

通过添加了用于测量垂直方向加速度的传感器，对原有的测量相互垂直的两个方向上的双轴传感器进行补充，从而提高了倾角仪测量的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的双轴倾角仪的结构示意图；

图2是本发明提供的双轴倾角仪标定方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

实施例一

本发明提供了本发明提供了双轴倾角仪，所述双轴倾角仪，包括：底座，安装在底座上的倾角传感器，以及从倾角传感器获取测量值的信号处理设备，在信号处理设备的输出端连接有RS232输出端；

其中，倾角传感器包括水平安装在底座上的双轴传感器，以及垂直安装在底座上的加速度传感器；

在双轴倾角仪所处的空间建立空间三维坐标系，其中X、轴Y轴表示水平面中相互垂直的两个坐标轴，Z轴表示与水平面垂直的坐标轴。

可选的，所述双轴传感器为用于测量X轴与Y轴加速度的SCA100T芯片。

可选的，所述加速度传感器为用于测量Z轴加速度的SCA61T芯片。

可选的，所述信号处理设备为安装有Matlab计算软件的计算机，所述计算机用于从倾角传感器获取测量值，将测量值进行模数转换，将模数转换后的结果通过RS232输出端输出。

可选的，所述信号处理设备为安装有Matlab和读取和发送信息的上位机软件的计算机，上位机通过与下位机通信采集传感器信息，Matlab处理计算所采集的信息得到标定参数发送给下位机进行传感器标定。

可选的，所述RS232输出端为支持RS232传输协议的输出设备。

本发明实施例中提出的双轴倾角仪，包括：底座，安装在底座上的倾角传感器，以及从倾角传感器获取测量值的信号处理设备，在信号处理设备的输出端连接有RS232输出端；其中，倾角传感器包括水平安装在底座上的双轴传感器，以及垂直安装在底座上的加速度传感器；通过添加了用于测量垂直方向加速度的传感器，对原有的测量相互垂直的两个方向上的双轴传感器进行补充，从而提高了倾角仪测量的准确性。

为了对进一步提高改进后的双轴倾角仪测量的准确度，本发明实施例还提出了双轴倾角仪的标定方法，如图2所示，所述标定方法包括：

11、使用双轴倾角仪对当前状态进行监测；

12、获取双轴倾角仪在空间三维坐标系内X轴上的测量值分别为1g和-1g时的第一测量值集合；

13、获取双轴倾角仪在空间三维坐标系内Y轴上的测量值分别为1g和-1g时的第二测量值集合；

14、获取双轴倾角仪在空间三维坐标系内Z轴上的测量值分别为1g和-1g时的第三测量值集合；

15、将第一测量值集合、第二测量值集合、第三测量值集合传输至信号处理设备，逐步进行交叉耦合补偿、标度因数零偏标定、夹角标定和非线性补偿，完成双轴倾角仪的标定。

可选的，所述夹角标定，包括：

将双轴倾角仪的底座与水平面的夹角分别调整为45°、135°、-135°、-45°，读取双轴倾角仪输出的夹角值；

将夹角值传输至信号处理设备，通过Matlab软件进行计算后，经由RS232输出端传输至下位机。

可选的，所述夹角标定，包括：

将双轴倾角仪的底座与水平面的夹角从-90°开始调节，每增加5°获取一个测量值，至90°停止；

将采集到的测量值传输至信号处理设备，通过Matlab软件计算后得到线性补偿数据，线性补偿数据传输至下位机。

本发明采用一个SCA100T双轴传感器和一个SCA61T单轴加速度计测量X,Y,Z三轴加速度，利用MCU处理传感器采集的信号，对采集的信号进行加速度计标度因数零偏标定，交叉耦合标定补偿，夹角标定和非线性补偿，实现倾角仪量程达到±90°，分辨率达到0.001°，测量精度达到0.01°，交叉耦合达到0.02％。

本发明有效解决了高精度双轴倾角仪测量大量程角度时交叉耦合，分辨率和精度的问题，在实际应用中起到了良好的效果。下表是利用高精度三轴转台测试高精度倾角仪的测试结果，在全量程范围内，倾角仪测试精度达到0.01°，分辨率达到0.001°，交叉耦合从原来的2％下降到了0.02％，取得了非常好的效果，产品达到了国内领先水平。具体测试结果如表1所示。

表1：高精度倾角仪测试结果表

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。