專利名稱：一種數(shù)字化智能傾斜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種傾斜儀，尤其涉及一種作水平測量及自動調(diào)平的數(shù)字化智能傾斜儀。
背景技術(shù)：
數(shù)字化傾斜儀是用來測量物體隨時間的傾斜變化及鉛垂線隨時間變化的儀器。精度是衡量數(shù)字傾斜儀關(guān)鍵指標(biāo)，直接決定數(shù)字傾斜儀的性能，現(xiàn)有的數(shù)字傾斜儀測量精度較低，一般在0. 05或更差。溫度是環(huán)境對數(shù)字傾斜儀測量精度影響的一個重要因素，溫度的變化會影響到數(shù)字傾斜儀輸出的變化，造成測量精度變差，現(xiàn)有的數(shù)字傾斜儀溫漂較大，一般在士0.4°。響應(yīng)頻率是反映數(shù)字傾斜儀動態(tài)測量的性能指標(biāo)，高精度數(shù)字傾斜儀輸出的數(shù)字量是經(jīng)過數(shù)字濾波處理，如HR或IIR等其他數(shù)字濾波方式，這會導(dǎo)致數(shù)字傾斜儀響應(yīng)滯后。正交誤差是雙軸數(shù)字傾斜儀的兩個靈敏軸在空間上非正交性，導(dǎo)致軸間在測量時交叉耦合，影響測量精度，或影響面調(diào)平。此外，現(xiàn)有的高精度數(shù)字傾斜儀在控制軟件內(nèi)一般要做線性補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、正交補(bǔ)償?shù)?，這些補(bǔ)償數(shù)據(jù)需要從多次測量數(shù)據(jù)中分析、提取，并最終固化到數(shù)字傾斜儀軟件內(nèi)，這樣會導(dǎo)致增加生產(chǎn)的工作量，生產(chǎn)單位產(chǎn)品所耗工時較多，增加了成本。同時，現(xiàn)有的數(shù)字傾斜儀提供的接口較單一。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種數(shù)字化傾斜儀，可提高檢測的精確度，同時提高檢測效率。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種數(shù)字化智能傾斜儀，所述傾斜儀包括傾角傳感器，用以提供高分辨率的傾斜角度；濾波單元，與所述傾角傳感器連接，用以對所述傾角傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行濾波；處理器，與所述濾波單元連接，用以對傾角傳感器輸出的經(jīng)過濾波的模擬信號進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達(dá)到真實(shí)地反映出傾角輸出信息，并對數(shù)字處理后的信號進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換；數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺，與所述處理器連接，用以對傳傾角感器作線性補(bǔ)償所需的數(shù)據(jù)作測試，計(jì)算出合適的線性標(biāo)定系數(shù)；所述處理器進(jìn)一步利用數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺計(jì)算出的線性標(biāo)定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補(bǔ)償；電源系統(tǒng)，與所述傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺連接，用以提供電源。[0016]作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述濾波單元為硬件濾波單元，用以對傾角傳感器輸出的模擬信號帶寬內(nèi)濾波。作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述傾斜儀進(jìn)一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的零點(diǎn)溫漂和靈敏度溫漂做補(bǔ)償。零點(diǎn)溫漂補(bǔ)償方法包括對傾斜儀的零點(diǎn)輸出做溫度試驗(yàn)，測量出傾斜儀的零點(diǎn)輸出受溫度影響的變化，利用最小二乘法擬合出零點(diǎn)輸出與溫度變化之間的多項(xiàng)式關(guān)系式，Z = Z(T)，即 Z(T) = k0+k1T+k2T2+k3T3+. . . +kmTm，其中，k。，k1 k2, k3，. . .，km 為多項(xiàng)式系數(shù)；利用最小二乘法算法，求解多項(xiàng)式擬合的系數(shù)1 ，k1 k2, k3, km，處理器的MCU程序?qū)⒃摱囗?xiàng)式固化其中，并利用該關(guān)系式對零點(diǎn)輸出做補(bǔ)償。靈敏度溫漂補(bǔ)償方法包括對傾斜儀的靈敏度做溫度試驗(yàn)，測量出傾斜儀的靈敏度受溫度影響的變化，利用最小二乘法擬合出靈敏度與溫度變化之間的多項(xiàng)式關(guān)系式，S = S(T)，即 S(T) = k0+k1T+k2T2+k3T3+. · · +kmTm，其中，k0, ki; k2，k3，· · ·，km 為多項(xiàng)式系數(shù)；利用最小二乘法算法，求解多項(xiàng)式擬合的系數(shù)Iv k1; 1 ，k3，. . .，km，處理器的MCU程序?qū)⒃摱囗?xiàng)式固化其中，并利用該關(guān)系式對靈敏度做溫度補(bǔ)償。作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述傾斜儀進(jìn)一步包括232輸出接口、485輸出接口、422輸出接口、V/I輸出接口、IXD輸出接口、CAN接口。作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述處理器為內(nèi)置Mbit模數(shù)轉(zhuǎn)化單元AD的 MCU。本實(shí)用新型的有益效果在于本實(shí)用新型提出的數(shù)字化智能傾斜儀，能夠提供常溫36角秒的測量精度，能夠滿足工業(yè)應(yīng)用、研究所及軍工單位的測量精度需求。同時，本實(shí)用新型能夠保證-40°C 85°C的溫度區(qū)間士0.05°的最大溫漂，相對于現(xiàn)有的同類數(shù)字傾斜儀有明顯優(yōu)勢。本數(shù)字傾斜儀能夠提供豐富的接口，如數(shù)字量RS232、RS485、RS422、CAN, LCD顯示，數(shù)字接口軟件協(xié)議可選，如Modbus，CAN2. Oa或Can2. Ob等，模擬量電壓和電流，模擬量輸出范圍可設(shè)置。本實(shí)用新型數(shù)字傾斜儀能夠提供0 20HZ動態(tài)響應(yīng)范圍，優(yōu)于同類其他數(shù)字傾斜儀在這方面的性能指標(biāo)。另，本實(shí)用新型數(shù)字傾斜儀的正交誤差能夠做到0. 2% F. R. 0，明顯優(yōu)于現(xiàn)有同類數(shù)字傾斜儀在這方面的性能指標(biāo)。此外，本實(shí)用新型數(shù)字傾斜儀內(nèi)部軟件集成了自標(biāo)定算法，能夠在外部簡單的操作實(shí)現(xiàn)數(shù)字傾斜儀本身數(shù)字自動標(biāo)定。

圖1為本實(shí)用新型數(shù)字化智能傾斜儀的組成示意圖。圖2為本實(shí)用新型傾斜儀測量方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例。實(shí)施例一本實(shí)用新型揭示了一種數(shù)字化智能傾斜儀，包括傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、電源系統(tǒng)。傾角傳感器用以提供高分辨率的傾斜角度；濾波單元與所述傾角傳感器連接，用以對所述傾角傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行濾波；處理器與所述濾波單元連接，用以對傾角傳感器輸出的經(jīng)過濾波的模擬信號進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達(dá)到真實(shí)地反映出傾角輸出信息，并對數(shù)字處理后的信號進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換；數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺與所述處理器連接，用以對傳傾角感器作線性補(bǔ)償所需的數(shù)據(jù)作測試，計(jì)算出合適的線性標(biāo)定系數(shù)；所述處理器進(jìn)一步利用數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺計(jì)算出的線性標(biāo)定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補(bǔ)償；電源系統(tǒng)與所述傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺連接， 用以提供電源。請參閱圖1，本實(shí)施例中，所述傾斜儀包括核心高精度MEMS傾角傳感器1、硬件濾波單元2、電源系統(tǒng)3、內(nèi)置MBit模數(shù)轉(zhuǎn)化單元AD的MCU 4、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺(圖未示)、多個輸出接口(包括232輸出接口 5、485輸出接口 6、422輸出接口 7、V/I輸出接口 8、IXD輸出接口 9、CAN接口 10)。所述MCU4連接硬件濾波單元2、電源系統(tǒng)3、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、各輸出接口，所述電源系統(tǒng)3連接傾角傳感器1、硬件濾波單元2、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、各輸出接口。核心高精度MEMS傾角傳感器1可以提供很高的角度分辨率，通過硬件濾波2對高精度MEMS傾角傳感器1輸出模擬信號帶寬內(nèi)濾波，內(nèi)置MBitAD的MCU對核心高精度MEMS 傾角傳感器1輸出的模擬信號進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在MCU內(nèi)部軟件內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達(dá)到真實(shí)地反映出傾角輸出信息。內(nèi)置Mbit AD的MCU 4會對數(shù)字處理后信號進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，然后會利用外部高精度的數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺對傾角傳感器作線性補(bǔ)償所需的數(shù)據(jù)作測試。內(nèi)置Mbit AD的MCU 4 利用內(nèi)部最小二乘法算法對在線測試數(shù)據(jù)運(yùn)算，計(jì)算出合適的線性標(biāo)定系數(shù)，并存儲于MCU 內(nèi)部開辟的Flash Data存儲空間。每一次測量后，內(nèi)置Mbit AD的MCU 4利用事先計(jì)算出的線性標(biāo)定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補(bǔ)償，達(dá)到提高傾角測量的線性度的目的。所述處理器的線性補(bǔ)償方法包括對一組標(biāo)準(zhǔn)值 ， ， ，...，ak,和對應(yīng)該組標(biāo)準(zhǔn)值的實(shí)際測量所得一組值b1; b2, b3，. . .，bk，根據(jù)兩組值擬合出一個多項(xiàng)式 =F(bi)，i =1. · · k，即 f = k0+k1C+k2C2+k3C3+. · · +kmCm，k。，k1 k2，k3，· · ·，km 為多項(xiàng)式系數(shù)，C = a1 a2， a3,...,ak ；利用最小二乘法算法，求解多項(xiàng)式擬合的系數(shù)I^k1A2，k3，. . .，km，處理器的MCU 程序?qū)⒃摱囗?xiàng)式固化其中，并利用該多項(xiàng)式對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式計(jì)算，即數(shù)據(jù)補(bǔ)償。此外，內(nèi)置24bit AD的MCU 4可利用軟件實(shí)現(xiàn)對AD采集的數(shù)字信息作HR或IIR 濾波；并可以利用測試得到的正交誤差數(shù)據(jù)，并利用正交補(bǔ)償算法對正交誤差作補(bǔ)償。同時，本實(shí)用新型可通過內(nèi)置24bit AD的MCU 4內(nèi)部集成AD進(jìn)行配置達(dá)到20HZ高精度數(shù)據(jù)采集輸出。如圖1所示，電路內(nèi)部設(shè)置有232輸出接口 5、485輸出接口 6、422輸出接口 7、V/I 輸出接口 8、IXD輸出接口 9、CAN接口 10，提供多種輸出接口，其中電路內(nèi)部構(gòu)造232輸出接口 5、485輸出接口 6、422輸出接口 7可根據(jù)用戶需要定制通信協(xié)議或按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議提供輸出，如ModBus等；CAN接口 10可實(shí)現(xiàn)Can2. Oa/b或Can Open協(xié)議輸出。V/I輸出接口 8能夠提供電壓和電流輸出，輸出電壓可單極性或雙極性，輸出電壓范圍達(dá)-10VDC +10VDC， 可通過軟件內(nèi)部調(diào)整電壓輸出范圍。電流輸出可達(dá)0 24mA范圍，電流輸出范圍可通過軟件內(nèi)部調(diào)整。此外，所述數(shù)字化智能傾斜儀進(jìn)一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的零點(diǎn)溫漂和靈敏度溫漂做補(bǔ)償。利用外部設(shè)備高低溫實(shí)驗(yàn)箱對核心高精度MEMS傾角傳感器1作溫度補(bǔ)償測試(靈敏度溫漂、零點(diǎn)溫漂)，內(nèi)置MbitMCU 4利用內(nèi)部最小二乘法算法對在線對測試數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算，計(jì)算出溫度補(bǔ)償系數(shù)，并存儲于內(nèi)部開辟的存儲空間內(nèi)，以后每-次測量數(shù)據(jù)輸出都會被溫度補(bǔ)償系數(shù)修正，能夠很好地降低溫度對傳感器的影響。零點(diǎn)溫漂補(bǔ)償方法包括對傾斜儀的零點(diǎn)輸出做溫度試驗(yàn)，測量出傾斜儀的零點(diǎn)輸出受溫度影響的變化，利用最小二乘法擬合出零點(diǎn)輸出與溫度變化之間的多項(xiàng)式關(guān)系式，Z = Z(T)，即 Z(T) = k0+k1T+k2T2+k3T3+. . . +kmTm，其中，k。，k1 k2, k3，. . .，km 為多項(xiàng)式系數(shù)；利用最小二乘法算法，求解多項(xiàng)式擬合的系數(shù)1 ，k1 k2, k3, km，處理器的MCU程序?qū)⒃摱囗?xiàng)式固化其中，并利用該關(guān)系式對零點(diǎn)輸出做補(bǔ)償。靈敏度溫漂補(bǔ)償方法包括對傾斜儀的靈敏度做溫度試驗(yàn)，測量出傾斜儀的靈敏度受溫度影響的變化，利用最小二乘法擬合出靈敏度與溫度變化之間的多項(xiàng)式關(guān)系式，S = S(T)，即 S(T) = k0+k1T+k2T2+k3T3+. · · +kmTm，其中，k0, ki; k2, k3，· · ·，km 為多項(xiàng)式系數(shù)；利用最小二乘法算法，求解多項(xiàng)式擬合的系數(shù)Iv k1; 1 ，k3，. . .，km，處理器的MCU程序?qū)⒃摱囗?xiàng)式固化其中，并利用該關(guān)系式對靈敏度做補(bǔ)償。上述三個補(bǔ)償步驟使用了最小二乘法；三個補(bǔ)償步驟中，多項(xiàng)式的系數(shù)h，ki; k2, k3，...，km根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算，在三個補(bǔ)償步驟中多項(xiàng)式的系數(shù)Iv ki; k2, k3，...，km并不要求相等。以上介紹了本實(shí)用新型數(shù)字化智能傾斜儀的組成，本實(shí)用新型在揭示上述數(shù)字化智能傾斜儀的同時，還揭示一種上述數(shù)字化智能傾斜儀的測量方法；請參閱圖2，所述測量方法包括如下步驟步驟Sl傾角傳感器提供高分辨率的傾斜角度，濾波單元對傾角傳感器輸出的模擬信號濾波；步驟S2處理器對傾角傳感器輸出的經(jīng)過濾波的模擬信號進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換， 在處理器內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達(dá)到真實(shí)地反映出傾角輸出信息；步驟S3處理器對數(shù)字處理后的信號進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，利用外部高精度的數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺對傾角傳感器作線性補(bǔ)償所需的數(shù)據(jù)作測試，所述處理器利用最小二乘法算法對在線測試數(shù)據(jù)運(yùn)算，計(jì)算出合適的線性標(biāo)定系數(shù)，并存儲于處理器內(nèi)的存儲空間；步驟S4每一次測量后，處理器利用事先計(jì)算出的線性標(biāo)定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補(bǔ)償，達(dá)到提高傾角測量的線性度的目的。綜上所述，本實(shí)用新型提出的數(shù)字化智能傾斜儀及其測量方法，能夠提供常溫36 角秒的測量精度，能夠滿足工業(yè)應(yīng)用、研究所及軍工單位的測量精度需求。同時，本實(shí)用新型能夠保證-40°C 85°C的溫度區(qū)間士0.05°的最大溫漂，相對于現(xiàn)有的同類數(shù)字傾斜儀有明顯優(yōu)勢。本實(shí)用新型數(shù)字化智能傾斜儀硬性好、不易變形、耐高低溫、密封性好；同時能夠提供豐富的接口，如數(shù)字量RS232、RS485、RS422、CAN, IXD顯示，數(shù)字接口軟件協(xié)議可選，如 Modbus, CAN2. Oa或Can2. Ob等，模擬量電壓和電流，模擬量輸出范圍可設(shè)置。本實(shí)用新型數(shù)字傾斜儀能夠提供0 20HZ動態(tài)響應(yīng)范圍，優(yōu)于同類其他數(shù)字傾斜儀在這方面的性能指標(biāo)。另，本實(shí)用新型數(shù)字傾斜儀的正交誤差能夠做到0. 2% F. R. 0，明顯優(yōu)于現(xiàn)有同類數(shù)字傾斜儀在這方面的性能指標(biāo)。[0049]此外，本實(shí)用新型數(shù)字傾斜儀內(nèi)部軟件集成了自標(biāo)定算法，能夠在外部簡單的操作實(shí)現(xiàn)數(shù)字傾斜儀本身數(shù)字自動標(biāo)定。這里本實(shí)用新型的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本實(shí)用新型的范圍限制在上述實(shí)施例中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本實(shí)用新型的精神或本質(zhì)特征的情況下，本實(shí)用新型可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例， 以及用其它組件、材料和部件來實(shí)現(xiàn)。在不脫離本實(shí)用新型范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實(shí)施例進(jìn)行其它變形和改變。
權(quán)利要求1.一種數(shù)字化智能傾斜儀，其特征在于，所述傾斜儀包括 傾角傳感器，用以提供高分辨率的傾斜角度；濾波單元，與所述傾角傳感器連接，用以對所述傾角傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行濾波；處理器，與所述濾波單元連接，用以對傾角傳感器輸出的經(jīng)過濾波的模擬信號進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達(dá)到真實(shí)地反映出傾角輸出信息，并對數(shù)字處理后的信號進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換；數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺，與所述處理器連接，用以對傳傾角感器作線性補(bǔ)償所需的數(shù)據(jù)作測試， 計(jì)算出合適的線性標(biāo)定系數(shù)；所述處理器進(jìn)一步利用數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺計(jì)算出的線性標(biāo)定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補(bǔ)償；電源系統(tǒng)，與所述傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺連接，用以提供電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化智能傾斜儀，其特征在于所述濾波單元為硬件濾波單元，用以對傾角傳感器輸出的模擬信號帶寬內(nèi)濾波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化智能傾斜儀，其特征在于所述傾斜儀進(jìn)一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的零點(diǎn)溫漂做補(bǔ)償。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化智能傾斜儀，其特征在于所述傾斜儀進(jìn)一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的靈敏度溫漂做補(bǔ)償。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化智能傾斜儀，其特征在于所述傾斜儀進(jìn)一步包括232輸出接口、485輸出接口、422輸出接口、V/I輸出接口、IXD 輸出接口、CAN接口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化智能傾斜儀，其特征在于 所述處理器為內(nèi)置24bit模數(shù)轉(zhuǎn)化單元AD的MCU。
專利摘要本實(shí)用新型揭示了一種數(shù)字化智能傾斜儀，包括傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、電源系統(tǒng)。傾角傳感器，用以提供高分辨率的傾斜角度；濾波單元對所述傾角傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行濾波；處理器對傾角傳感器輸出的經(jīng)過濾波的模擬信號進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達(dá)到真實(shí)地反映出傾角輸出信息，并對數(shù)字處理后的信號進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換；數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺對傳傾角感器作線性補(bǔ)償所需的數(shù)據(jù)作測試，計(jì)算出合適的線性標(biāo)定系數(shù)。本實(shí)用新型能提供常溫36角秒的測量精度，同時可保證-40℃～85℃的溫度區(qū)間±0.05°的最大溫漂，相對現(xiàn)有數(shù)字傾斜儀有明顯優(yōu)勢。
文檔編號G01C25/00GK202281603SQ20112042693
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者張峰, 陳冬 申請人:上海輝格科技發(fā)展有限公司