专利名称：一种便携式的数字化高精度倾角测量仪及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种便携式的数字化高精度倾角测量仪及测量方法。
背景技术：
在建筑，桥梁建设等行业里，倾角的测量是必备的一个环节。有很多情况下，还在使用传统的倾角测量工具，这种工具往往是指针式的，操作人员在读数的时候往往需要估 读，再加上指针式倾角测量工具本身的精度不够高，使得测量结果有着比较大的偏差，而且 这种测量工具往往体积比较大，携带非常不方便。现在市场上也有一些数字式的倾角测量 仪，可以数字化的显示测量结果。这些测量仪在测量原理上采用摇摆式测量方法，缺点是敏 感质量存在惯性，使得测量仪抗摔，抗震动性能和实时性不够好，在震动比较强烈等环境中 使用的时候测量结果就不稳定；测量结果容易受温度的影响，必须进行复杂的温度补偿算 法，而且有的产品的补偿算法往往是近似估计，没有考虑到不同温度影响的程度；有的产品 采用单片机内部的A/D转换模块进行模数转换，而不是独立的模数转换模块，精度往往不 够高；也有产品虽然用了单独的模数转换模块，但是电源部分没有经过精确处理，电源部分 有波动，模数转换模块精度就远远达不到所标称的精度，而且电源的稳定性对传感器的精 度也有很大影响，电源有波动也会导致传感器精度达不到所标称的精度。
发明内容
为了克服现有的倾角测量装置的不足，本发明采用如下技术方案
一种便携式的数字化高精度倾角测量仪，该倾角测量仪包括依次连接的传感器、转换 模块、控制器和显示模块；所述的传感器为双轴重力加速度传感器，双轴重力加速度传感器 内还设有温度传感器；所述的转换模块为A/D转换模块。所述的A/D转换模块采用16位A/D转换芯片。所述的双轴重力加速度传感器的双轴为X轴和Y轴，并且X轴和Y轴互相垂直。所述双轴重力加速度传感器的倾角测量范围为-90°——90°。—种便携式的数字化高精度倾角测量仪的测量方法，该测量方法包括以下步骤 Stepl 将倾角测量仪放置在待测物体上；
St印2 重力加速度传感器分别测量X轴和Y轴方向上重力加速度的分量，并将两路测 量信号转换成电压信号，送给A/D转换模块进行处理，之后再进行数字化滤波； St印3 将数字化滤波后的结果通过SPI通讯方式传输给控制器进行处理； Step4:控制器利用温度传感器对测量结果进行补偿，将补偿后的数值转换成角度值用 显示器进行显示。在所述st印2中，所述电压信号的范围为0-5V。在所述st印2中，X轴方向上重力加速度的分量表达式为
Gx = g ■sin(α) = g · si η (9 O0 - β) = g _cos(β)Y轴方向上重力加速度的分量表达式为
Oy = S ·3 η(历
于是，利用Oz，瑪表示的正切值来求得倾斜角度β即 β= tan_1(tan(历)=Idxr1(OlJGx)
其中，&为重力加速度G在X轴上的分量，Gf为重力加速度G在X轴上的分量，g为
重力加速度，α为Y轴与重力加速度方向的夹角，於为X轴与重力加速度方向的夹角。在所述St印4中，所述测量结果的补偿过程如下
设温度传感器采集到的温度值为T，测量误差为Offcorr，倾角测量取值为Tempvalue， 而实际取值为value，则
Offcorr = -0.0000006T3 + 0.00 IT2 — 0.0039T-0.0522
于是
value ^ Tempvalue-Offcorr
其中，Offcorr为测量误差，T为温度值，value为倾角测量的实际取值，Tempvalue为 倾角测量的测量值。本发明的有益效果是它采用数字化显示，方便读数；体积小，重量轻，功耗低，可 以用电池供电，便于携带；测量精度高；它工作稳定，实时性好，使得倾角测量变得方便而 快捷；抗摔能力和抗震动能力比较强，可以在比较恶劣的环境中使用；采用双轴倾角测量 传感器来测量单轴方向的倾角，可以有效的抑制温度对测量结果的影响，再加上软件部分 的滤波算法，双重补偿模式大大的抑制了温漂的影响。
图1是本发明原理结构示意图； 图2是倾角测量初始位置示意图3是倾角测量仪与初始位置成一定角度的示意图； 图4是测量结果数字化滤波流程图； 图5是本装置电路图； 图6是本装置外形示意其中1为重力加速度传感器；2为A/D转换模块；3为控制器；4为显示模块；5为装置 外壳；6为数码管；7为指示灯；8为电源开关。
具体实施例方式下面结合附图和实施例作进一步的说明
一种便携式的数字化高精度倾角测量仪，该倾角测量装置采用垂直架构的方式，灵敏 轴互相垂直。将该倾角测量仪5平行放置在待测物体上，分别用于测量同一个方向的倾角， 测量结果分别为相应倾角的正弦值和余弦值，然后把结果相除，得到倾角的正切值，从而得 到所测的倾角。本装置采用双轴输出的重力加速度传感器1来测量倾角。假设传感器的两个灵敏轴分别为X轴和Y轴，X轴与Y轴在同一平面内互相垂直。相应的，就有两条完全相同的加 速度信号传输路径一条用于测量X轴方向上重力加速度的分量；一条用于测量Y轴方向 上的重力加速度分量。当传感器处于水平方向时，X轴和Y轴所形成的平面与重力加速度 方向垂直，此时重力加速度在X轴和Y轴方向的分量都为零。当传感器与水平方向形成一 定夹角时，则X轴与Y轴所形成的平面与重力加速度方向不垂直，则重力加速度会在χ轴和 Y轴方向形成一定的分量，其大小与倾角大小正相关。此时通过X轴、Y轴上的敏感轴可以 测量到X轴、Y轴上的重力加速度分量。然后通过一定的计算来求出相应的倾角值。除了 测量重力加速度之外，还有内置的温度传感器，对温度进行采集，从而为后续的温漂抑制算 法提供参数，提高温漂抑制效果。为了抑制温度对测量结果的影响，本发明用两路重力加速度的测量来测量单路的 倾角。令传感器的初始位置如图2所示。当传感器与重力加速度方向形成一定夹角时，如 图3所示。于是
Ox = g·sm(a) = g·siri(90° —历=g ecosC,,^)(3)
其中，迅分别为重力加速度G在X轴上的分量，g为重力加速度，α为Y轴与重力加 速度方向的夹角，β为X轴与重力加速度方向的夹角。因此，倾斜角度β可以用Gx, Gy表示的正切值来求得，即: β= tan-1Ctari(爾=tan_1(Gr /Gx)(4)
其中，Gx, Gy分别为重力加速度在χ轴和γ轴上的分量，β为X轴与重力加速度方向 的夹角。公式(4)中β的取值范围可以在-90°到+90°之间。垂直架构的倾角测量装置 使得在180度范围内都有着比较高的精确度和分辨率，满足了工业现场对倾角测量范围和 精确度的要求。另外，由于重力加速度传感器1具有可重复性的温度特性，两个轴的输出具 有相同的温度变化幅度，这对于比值计算不会产生太大的影响，因此，这种测量方式可以有 效的降低温度对灵敏轴产生的影响。很多控制器3本身带有A/D转换功能，但是精度往往不高，大部分集成的A/D转换 芯片只能达到10位的精度，本发明为了提高精度，采用16位独立的A/D转换芯片。本系 统的电路图如图5所示。电源处理芯片对电源进行稳压处理，给对电源相当敏感的倾角测 量芯片和A/D转换芯片进行供电。倾角测量芯片将重力加速度传感器1的信号转换成0-5V 的电压信号，送给A/D转换芯片进行处理，A/D转换芯片再将转换结果通过SPI通讯方式传 输给控制器3进行处理。敏感轴上的输出信号由高精度的A/D转换模块2转换成数字量送入相应的智能处 理模块即控制器3当中，控制器3中对测量结果进行相应的补偿处理。本系统所采用的温度 传感器经过大量的实验数据，总结出来了抑制温度的近似公式。假设温度传感器采集到的 温度值为Τ，测量误差为Offcorr，倾角测量取值为Tempvalue，而实际取值为value，则
Offcorr = -0.0000006T3 + 0. OOlT2 - 0.0039T-0.0522 (1)
其中，Offcorr为测量误差，T为温度值； 于是value = Tempvalue — Offcorr⑵
其中，value为倾角测量的实际取值，Tempvalue为倾角测量值。由于本发明可能用于比较恶劣的环境当中，外界各种干扰有可能影响测量结果的 精度，甚至可能使个别测量结果产生错误。为了进一步提高该装置的工作稳定性，我们对A/ D转化的结果进行数字化滤波。具体流程图如图4所示，对采样的50个数值进行排序，然后 取其中间的30个结果进行取平均值。对于数字化滤波之后的测量结果值，本装置采用LED数码管进行显示。对于数码 管6的控制，主要由数据信号和数码管位选择信号组成。本系统采用动态扫描方式，所有的 数码管6共用8位数据线，利用人的视觉停留现象，20ms内将所有的数码管6显示器扫面一 遍，在某一时刻，只有一位亮。本装置的使用如图6所示。把装置的外壳放在需要测量的倾角上，保持外壳与所 测量角度平行，打开电源开关8，指示灯亮则说明装置已经正常启动，此时数码管6显示的 数值即为外壳的倾角。这个数值会随着外壳倾斜角度的变化而实时的变化。
权利要求
一种便携式的数字化高精度倾角测量仪，其特征是，该倾角测量仪包括依次连接的传感器、转换模块、控制器和显示模块；所述的传感器为双轴重力加速度传感器，双轴重力加速度传感器内还设有温度传感器；所述的转换模块为A/D转换模块。
2.如权利要求1所述的一种便携式的数字化高精度倾角测量仪，其特征是，所述的A/D 转换模块采用16位A/D转换芯片。
3.如权利要求1所述的一种便携式的数字化高精度倾角测量仪，其特征是，所述的双 轴重力加速度传感器的双轴为X轴和Y轴，并且X轴和Y轴互相垂直。
4.如权利要求3的便携式的数字化高精度倾角测量仪，其特征是，所述双轴重力加速 度传感器的倾角测量范围为_90° —90°。
5.一种采用权利要求1的便携式的数字化高精度倾角测量仪的测量方法，其特征是， 该测量方法包括以下步骤Stepl 将倾角测量仪放置在待测物体上；St印2 重力加速度传感器分别测量X轴和Y轴方向上重力加速度的分量，并将两路测 量信号转换成电压信号，送给A/D转换模块进行处理，之后再进行数字化滤波；St印3 将数字化滤波后的结果通过SPI通讯方式传输给控制器进行处理；Step4:控制器利用温度传感器对测量结果进行补偿，将补偿后的数值转换成角度值用 显示器进行显示。
6.如权利要求5的便携式的数字化高精度倾角测量仪的测量方法，其特征是，在所述 st印2中，所述电压信号的范围为0-5V。
7.如权利要求5的便携式的数字化高精度倾角测量仪的测量方法，其特征是，在所述 step2中，X轴方向上重力加速度的分量表达式为Ox = g ■ Sin(CK) = g sm(90° — β) = § ^cos(J)Y轴方向上重力加速度的分量表达式为Gy = g _sm(历于是，利用务，洱表示的正切值来求得倾斜角度β即β= tm-\tmi{p·)) = Iatr1(G1ZGx)其中， 石为重力加速度G在X轴上的分量，Gi为重力加速度G在X轴上的分量，g为重力加速度，α为Y轴与重力加速度方向的夹角，β为X轴与重力加速度方向的夹角。
8.如权利要求5的便携式的数字化高精度倾角测量仪的测量方法，其特征是，在所述 step4中，所述测量结果的补偿过程如下设温度传感器采集到的温度值为T，测量误差为Offcorr，倾角测量取值为Tempvalue， 而实际取值为value，则Offcorr = -0.0000006Γ3 + 0.00 IT2 — 0.00397"-0.0522于是value = Tempvaim — Offcorr其中，Offcorr为测量误差，T为温度值，value为倾角测量的实际取值，Tempvalue为倾角测量的测量值 。
全文摘要
本发明公开了一种便携式的数字化高精度倾角测量仪及测量方法。用重力加速度传感器测量灵敏轴方向的加速度分量，间接反应倾角的大小，测量结果由专门的高精度A/D转换芯片进行转换，测量结果由控制器进行滤波处理，并用数码管进行显示。该装置体积小，重量轻，可以采用电池供电，便于携带；可以有效抑制温度对测量结果的影响；具有比较强的抗震动能力；测量精度与传统测量仪相比有很大提高。
文档编号G01C9/00GK101839711SQ20101017533
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者刘海法, 李璐, 郝增奔, 陈晓军, 马思乐 申请人:山东大学