一种数字象限仪的制作方法

本发明属于测量技术领域，特别是涉及一种测量水平的象限仪。

背景技术

象限仪是一种基于水准器原理的计量仪器。象限仪既可检查水平，也可测量倾斜角。现有技术中使用象限仪测量平面、管件或轴相对于水平面的倾斜角时，将所述象限仪水平放置在被测量的平面或火炮的象限仪台/座上，必要时进行固定。然后松开锁紧螺母并旋转象限仪的分度盘至所需的角度值时锁紧紧固螺钉，并用微动螺钉将水准器的水泡准确地调至正中间。然后根据标尺上的刻度对正情况判读角度值。在所述象限仪操作过程中，需要看水泡移动，靠肉眼来分辨，然后根据标尺判读数值，操作不便捷、显示不直观，易产生视觉误差，且耗时较长、暗夜条件下无法使用。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种数字象限仪，解决现有技术中传统的象限仪使用时对操作技能要求高、显示不直观、操作繁琐、耗时较长、效率较低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种数字象限仪，包括：数据采集单元，用于输出被测平面的模拟倾角信号；控制单元，接收所述模拟倾角信号，计算并输出最终倾角结果；显示单元，显示所述最终倾角结果。

在本发明数字象限仪另一实施例中，所述数据采集单元为sca103t的倾角传感器，其中将所述sca103t的差分模拟输出作为所述被测平面的倾角模拟信号传送给所述控制单元。

在本发明数字象限仪另一实施例中，所述控制单元在接收到所述差分模拟输出后，将该差分模拟输出转换为相应的角度，对所述角度进行30次ad转换，并对所得数值用冒泡法排序，选取中间第15位置的数值，重复上述循环30次对所得数据存储并排序，再选取其中间第15位置的数值作为所述最终倾角结果。

在本发明数字象限仪另一实施例中，所述控制单元还包括温度修正模块，所述温度修正模块的温度修正过程：首先，计算环境温度对所述倾角传感器造成的输出误差：

scorr＝-0.0000005*t³-0.00005*t²+0.0032*t-0.031

其中，t为环境温度；

其次，根据所述倾角传感器灵敏度计算出相对环境的修正后灵敏度：

senscomp＝sensitivity*(1+scoor/100)

其中，senscomp为温度补偿后的灵敏度，sensitivity为所述倾角传感器标注的灵敏度，对于sca103t倾角传感器而言，其sensitivity为16v/g；

最后，根据所述senscomp，计算经温度修正后的所述被测平面的角度：

其中，offset是倾角传感器在0度时的输出值，vdout是倾角传感器的差分模拟输出的差值。

在本发明数字象限仪另一实施例中，所述控制单元进一步包括电源检测控制模块，其用于检测所述数字象限仪的使用情况，当检测到在特定时间段内无人使用所述数字象限仪时，则关闭所述数字象限仪的电源。

在本发明数字象限仪另一实施例中，所述控制单元进一步包括零位校准模块：在进行零位校准时，将所述数字象限仪放置于所述被测平面上，记录当前倾角n1；再将所述数字象限仪在所述被测平面上原地旋转180度，记录当前倾角n2；自动计算零位偏差δ＝(n1+n2)/2，并将δ值存入相应flash中。

在本发明数字象限仪另一实施例中，所述控制单元进一步还包括背光控制模块，用于在接收到用户输入的外部控制指令后，接通所述数字象限仪的背光电路。

在本发明数字象限仪另一实施例中，所述控制单元进一步还包括模式选择模块，用于当接收到用户输入的外部控制指令后，控制所述数字象限仪在绝对零位模式或相对零位模式下工作。

在本发明数字象限仪另一实施例中，该数字象限仪进一步包括输入单元，用于从用户处获取输入的控制指令。

在本发明数字象限仪另一实施例中，从所述数据采集单元的供电电源分压提供给所述控制单元的模数转换电路adc的电压基准。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种数字象限仪，其通过使用加速度传感器获取被测平面的模拟倾角信号，经过低通滤波和多级中值滤波等操作后，输出所述被测平面的最终倾角数据并进行显示。本发明通过所述数字象限仪实现了对被测平面倾角的自动化检测和可视化显示，减少了人工参与，缩短了测量时间，提高了测量精度，此外通过设置显示器的背光灯，扩大了该数字象限仪的使用场景。

附图说明

图1是本发明数字象限仪的一实施例的组成示意图；

图2是本发明数字象限仪的控制单元的一实施例的组成示意图；

图3是本发明数字象限仪的控制单元的另一实施例的组成示意图；

图4是本发明的数字象限仪的控制单元的另一实施例的组成示意图；

图5是本发明的数字象限仪的控制单元的另一实施例的组成示意图；

图6是本发明的数字象限仪的控制单元的另一实施例的组成示意图；

图7是本发明的数字象限仪的控制单元的另一实施例的组成示意图；

图8是本发明的数字象限仪的显示单元的一实施例的示意图；

图9是本发明数字象限仪原理图的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。

图1是本发明数字象限仪的一实施例的组成示意图，该数字象限仪1具体包括以下部分：

数据采集单元11，用于输出被测平面的模拟倾角信号。当需要测量指定物体的倾角数据时，首先将该数字象限仪1放置于所述指定物体的表面上，以便所述数据采集单元11输出包含有所述指定物体倾角信息的模拟倾角信号。

控制单元12，接收所述模拟倾角信号，计算并输出所述被测平面的最终倾角信息。由于所述数据采集单元11由不同的电子部件组成，因此输出的模拟倾角信号会因为运行中电子部件的电磁干扰等因素而存在一定的偏差。为了确保所述数字象限仪1的精度，将该模拟倾角信号转换为相应的角度，之后进行ad转换及多级中值滤波以最大限度地减弱噪声对真实倾角输出的影响。具体的，将经多级中值滤波后获得的数据作为所述被测平面的最终倾角结果。

显示单元13，接收并显示所述最终倾角结果。其中，可以采用液晶显示器来显示所述最终倾角数据，该液晶显示器可以是多位的8段液晶显示模块，包括表示倾角大小的数值位和表示方向的方向位，用户通过观看所述数值位和方向位便可以直接获得当前被测平面的倾角角度和方向。

通过本申请的数字象限仪，可以很好地实现对被测物体倾角数据的自动化测量，人工参与量少，显示直观清晰，大大减少了实际应用中消耗的时间，为使用者提供了一种简单、便捷和高效的自动倾角测量仪器。

优选地，所述数据采集单元11为mems加速度传感器，以实现对所述被测平面模拟倾角信号的输出。加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度，恒定加速度的一个特例就是重力加速度，当传感器静止时(没有水平或垂直方向的加速度)，重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。

具体的，在本发明中，所述数据采集单元11为sca103t的mems倾角传感器。scal03t倾角传感器是芬兰vti公司推出的利用mems技术开发生产的高精度单轴倾角传感器，在10hz带宽模拟端输出可获得0.001度的输出分辨率。所述sca103t倾角传感器内部包含了一个硅敏感微电容传感器和一个asic专用集成电路，asic电路集成了eeprom存储器、信号放大器、ad转换器、温度传感器和spi串行通信接口，组成了一个完整的数字化传感器。

优选地，将所述sca103t倾角传感器的两个差分模拟输出作为所述被测平面的模拟倾角信号传送给所述控制单元。所述sca103t倾角传感器的测量轴内部由两个不同的传感单元组成，在同一测量方向上输出相反的信号，由此输出两个差动的模拟倾角信号(1通道模拟输出out1和2通道模拟输出out2)。差分测量原理去除了大部分的共模测量误差，因为误差源在两个传感单元上有相同的影响，当信号差分时，这些误差就从测量结果中删除了。差分测量原理有效地减小了噪声、改善了长期稳定性、以及大大降低了温度的影响。

本实施例的数字象限仪，其加速度传感器采用差分模拟输出作为被测平面的模拟倾角信号，在一定程度上提高了所述数字象限仪的精确度。另外，使用的mems加速度传感器体积小、重量轻、功耗小、可靠性高等原因，易于实现数字化和超小型化，且性价比高。

优选地，在所述控制单元12接收到所述数据采集单元11传输的模拟倾角信号后，将该模拟倾角信号转换为相应的角度，然后进行ad转换及多级中值滤波以进一步提高所述数字象限仪的精度。

所述控制单元12在接收到所述数据采集单元11发送的模拟倾角信号后，首先将该模拟倾角信号转换为相应的角度，使用的转换函数如下：

其中，offset是倾角传感器在0度时的输出值，sensitivity是倾角传感器的灵敏度为16v/g，vdout＝out1-out2是倾角传感器的输出电压，即vdout是倾角传感器的差分模拟输出的差值。

之后对相应的角度α进行ad转换及多级中值滤波，其中所述的ad转换及多级中值滤波为：对所述角度α进行30次ad转换，得到30个转换值a1,1，a1，2，...,a1，30，对所得数值用冒泡法排序，从这30个转换值中选取其数值大小处于中间第15位置的一个平均转换值，记为b1,15；重复上述过程30次，依次可以得到30个平均转换值，即：b1,15，b2,15，...,b30,15，然后再从这30个平均转换值中按照数值大小排序，从中选择数值大小位于中间第15位置的最终平均值，记为cm，将该最终平均值cm作为测量的ad值，则该测量的ad值即为所述被测平面的最终倾角数据。

进一步，为了提高测量精度，本发明在将所述差分模拟输出转换为相应的角度之前还可以包括：对sca103t的差分模拟输出进行低通滤波，以滤除带外噪声。由于sca103t有不停运行的内在a/d转换器,会引起模拟输出有尖峰脉冲，此脉冲干扰间隔50至70us,直接采用模拟输出会造成测量数据错误，因此需要对所述模拟倾角信号进行低通滤波，以提高所述数字象限仪的精度。

由上述内容可知，本发明的数字象限仪进一步对模拟倾角信号进行了多种类型的滤波以减少噪声对信号的干扰，这同样提高了所述数字象限仪的精度，确保了该数字象限仪在实际应用场合中的有效性。

图2是本发明数字象限仪的控制单元的一实施例的组成示意图。在图2中，所述的控制单元2进一步包括温度修正模块21，其用于修正环境温度对测量的倾角信号的影响。由于任何测量传感器都存在温度变化影响输出灵敏度，因此，为了最大可能得到精确的测量结果，本发明采用温度修正模块21修正环境对测量信号的影响，具体的，该温度修正模块21通过以下步骤实现对测量信号的补偿：

首先，计算环境温度对所述倾角传感器(即所述数据采集单元)造成的输出误差：

scorr＝-0.0000005*t³-0.00005*t²+0.0032*t-0.031

其中，t为环境温度。

其次，根据所述倾角传感器灵敏度计算出相对环境的修正后灵敏度：

senscomp＝sensitivity*(1+scoor/100)

其中，senscomp为温度补偿后的灵敏度，sensitivity为所述数据采集单元即传感器标注的灵敏度，对于sca103t加速度传感器而言，其sensitivity为16v/g。

最后，根据所述senscomp，计算经温度修正后的所述被测平面的倾角：

其中，offset是倾角传感器在0度时的输出值，vdout＝out1-out2是倾角传感器的输出电压，即vdout是倾角传感器的差分模拟输出的差值。

通过该实施例的数字象限仪，其可以随着环境温度的变化实时的校正所述象限仪的倾角输出，使所述象限仪显示的倾角数据精确度更高，满足了适应实际环境对精度的要求。

图3是本发明数字象限仪的控制单元的另一实施例的组成示意图。在图3中，所述的控制单元3进一步包括电源检测控制模块32。该电源检测控制模块32在所述数字象限仪使用过程中，通过不断检测所述数字象限仪的使用情况来管理所述数字象限仪的电源，当该电源检测控制模块32检测到所述数字象限仪在指定的时间段之内无人操作所述数字象限仪，则该电源检测控制模块32则认为所述数字象限仪处于无人使用的状态或闲置状态，此时所述电源检测控制模块32会关闭所述数字象限仪的电源以节约电量。

具体地，其中所述的指定时间段可以根据需要进行设置，例如可以根据实际使用中的规律来设定，常用的可以设置为2分钟、5分钟等。

通过该实施例的数字象限仪，提供了一种自动管理电源的倾角检测仪器，其自动检测数字象限仪的使用状况，当发现数字象限仪处于闲置状态的时间超过一定的时间段后，就自动切断整机的电源，实现了整机电源的自动化管理，有利于在使用的过程中节约能量。

图4是本发明的数字象限仪的控制单元的另一实施例的组成示意图。在图3的基础上，图4中的控制单元4进一步还可以包括零位校准模块43，用于在每次使用前，解决零位漂移问题。为了保证测量精度，每次使用前都应进行一次零位校准，在进行零位校准时，将所述数字象限仪放置于测量面上，在接收到用户输入的控制指令后，记录当前倾角n1，再将所述数字象限仪在此测量面上原地旋转180度，放稳后用户再次通过所述指定按钮输入控制指令，记录当前倾角n2。然后所述零位校准模块43自动计算零位偏差δ，δ＝(n1+n2)/2，并自动将δ值存入相应flash中。在后续的测量中，所述数字象限仪中的控制单元根据测量值n，自动求得真值n＝n-δ，以解决零位漂移问题。

通过本实施例的数字象限仪，避免了象限仪内部电子部件对仪器本身精度的影响，提供了一种精确度更高的数字象限仪。

图5是本发明的数字象限仪的控制单元的另一实施例的组成示意图。在图5中，所述的控制单元5进一步包括背光控制模块54。该背光控制模块54在接收到用户输入的控制指令之后接通相应的背光电路，使得所述数字象限仪的背光打开，便于用户在黑暗的条件下使用该数字象限仪。

通过本实施例的数字象限仪，提供了一种便于用户在黑暗条件下便于操作和使用的象限仪，增加了该象限仪的使用场景。

图6是本发明数字象限仪的控制单元的另一实施例的组成示意图。在图6中，所述控制单元6进一步包括模式选择模块65，该模式选择模块65通过接收外部用户输入的控制指令，使得该数字象限仪在“绝对零位”模式或“相对零位”模式下工作。当数字象限仪工作于“绝对零位”模式时，其所显示的倾角数据以工厂零位为基准，例如可以是以重力加速度方向作为参考的倾角；当数字象限仪工作于“相对零位”模式时，其所显示的倾角数据以当前角度作为测量基准，此时，可以在“相对零位”的模式下测量与当前角度对应的测量面1上的其他测量面2相对于该测量面1的倾角。

通过本实施例的数字象限仪，提供了一种可以灵活测量所需倾角的象限仪，无需计算，人工参与少，可直观获取需要的倾角信息，提高了数字象限仪的使用灵活度。

图7是本发明的数字象限仪的另一实施例的组成示意图。在图1的基础上，图7中的数字象限仪7进一步包括输入单元74，其用于从外部接收用户输入的控制指令。

具体地，所述输入单元74包括电源按钮，当用户按下电源键时，则所述数字象限仪7开机，再次按下电源键，则所述数字象限仪关机。

所述输入单元74进一步还包括“绝对/相对”按钮。所述数字象限仪开机默认工作在“绝对零位”的状态，即开机后所述数字象限仪显示的数据以工厂零位为基准；按下“绝对/相对”按钮后，则所述数字象限仪处于“相对零位”的工作状态，即所述数字象限仪以当前角度作为测量的基准；当再次按下“绝对/相对”按钮后，所述数字象限仪恢复工厂零位，即所述数字象限仪处于“绝对零位”的工作状态。

所述输入单元74进一步还包括“背光/校准”按钮。用户短按“背光/校准”按钮一下即可点亮背光，方便夜间使用，再短按一下即可关闭背光。按“背光/校准”按钮3秒后松开“背光/校准”按钮，则所述数字象限仪处于“零位校准”状态。

通过该实施例的数字象限仪，提供了一种便于用户操作的数字象限仪，用户只需要操作该数字象限仪的几个按钮，即可以控制该数字象限仪处于不同的工作状态，实现对数字象限仪的控制，这提高了用户的使用体验。

图8是本发明的数字象限仪的显示单元的一实施例的示意图。在图8中，所述的显示单元8可以为现有技术中的多种显示设备，例如液晶显示器等。具体地，在本发明中，所述显示单元8具体使用液晶显示器，液晶显示器是6位8段液晶显示模块。其中，液晶数字显示，左数第一位为工作状态指示位，第二位为倾角方向指示位，第三到第六位为数据位。

电池电压下降指示：当电池电压低于7伏时，lcd上显示“lo”，此时必须更换电池，否则可能会影响测量精度。

工作状态指示位：开机默认为绝对状态，此时符号位无显示；按下相对/绝对键后显示“||”表示相对。

倾角方向指示：负(－)表示角度是自零点逆时针方向的角度，无此指示，表示角度是自零点顺时针方向的角度。当传感器沿测量方向正向倾斜时，符号位无显示，当传感器沿测量方向负向倾斜时，符号位显示“—”。

数据位：显示传感器所测当时角度的密位数据，显示精确到0.1密位。

工作范围指示：本仪器量程为-2-50至+2-50，当实际测量值超过仪器标称范围值时，lcd上将显示――――，表示超出工作范围。

图9是本发明数字象限仪原理图的示意图。在图9中，所述的sca103t数据采集单元91将其输出out1和out2作为被测平面的模拟倾角信号传送给c8051f350控制单元92，控制单元92主要用于对接收到的模拟倾角信号进行低通滤波、角度转换、ad转换以及中值滤波等操作，并输出最终倾角数据进行显示。由于sca103t加速度传感器是公制比率输出，公制比率的意思是零点和灵敏度与供电电压是成比例的。如果供电电压波动，sca103t的输出也会变化。为了减弱电压变化给整个数字象限仪带来的误差，本发明采用浮动电压基准方式，即从sca103t数据采集单元91的供电电源93分压提供给c8051f350控制单元92的adc电压基准94，则此时电源引起的温漂和波动会同样带动电压基准相应变化，这有效提高了系统精度。

综上可知，本发明提供了一种数字象限仪，其通过使用加速度传感器获取被测平面的模拟倾角信号，进行低通滤波和多级中值滤波等操作后，输出所述被测平面的最终倾角数据并进行显示。本发明通过所述数字象限仪实现了对被测平面倾角的自动化检测和可视化显示，减少了人工参与，缩短了测量时间，提高了测量精度，此外通过设置显示器的背光灯，扩大了该数字象限仪的使用场景。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。