自动调零伺服倾角传感器的设计与实现

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一、引言 

    倾角传感器是测量关于水平面的倾斜角的装置，在土木建筑、水文地质、兵器、航空航天、生物医学等工程技术领域有着广泛的用途。倾角传感器种类繁多，按照其工作原理可以分为“固体摆”式，“液体摆”式，“气体摆”式三种倾角传感器。对于固体摆式倾角传感器的研究已经比较成熟，且应用广泛，但其易受外界干扰，如机械振动冲击；而液体摆式倾角传感器具有灵敏度高、耐腐蚀、耐潮湿等特点，但其致命的缺点是温度变化会严重影响其工作特性，从而限制了液体摆式倾角传感器的发展和应用；气体摆式倾角传感器结构简单，抗振动和抗冲击能力强，但其受环境温度影响较大，测试精度不高。总之，现有的倾角传感器的精度需要较高的成本来提高，并存在零位偏差，时间漂移和温度漂移等问题。

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    针对上述问题本文设计了一种基于自动调零理论的自动调零伺服倾角传感器，其基本思想源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺旋转180°找平的古老方法，并采用步进电机及单片机控制技术设计和实现。这种自动调零伺服倾角传感器能很好的解决零位偏差，时间漂移和温度漂移等问题，使倾角传感器的性能得到了提高，具有非常重要的应用价值。

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    二、理论基础 

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    自动调零伺服倾角传感器是设计用来校正各种来源的零位偏差和漂移。其基本思想来源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺在被测物体表面旋转180o来找平的古老方法。如果水泡显示了相同的结果就表示工作正常，否则就指示一个等于水泡顶点位置差额的一半的错误。在本文的应用中，伺服倾角传感器位于一个输入轴IA平行于其表面的旋转圆盘上，当要执行偏移校正操作时可以直接旋转180o到圆盘的相反位置上，如图1所示。

    图1伺服倾角计的零位偏差不依赖于传感器的位置。因此，当附于水平旋转圆盘上的传感器转到两个不同位置时，其输出将不会改变。 

图1 伺服倾角计的零位偏差不依赖于传感器的位置

    倾角传感器在零输入（倾角传感器的底座位于绝对水平的表面上）时的输出由两部分组成： 

    （1）偏移误差VB定义为不依赖于倾角传感器位置的输出。 

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    （2）未对准误差角e主要是由于倾角传感器的底座没有与测量轴线绝对平行而造成的。这样就引起了一个与未对准角度成比例的输出电压Ve（对于很小的角度来说，sine≈e）。 如果图1中的旋转底座在一个绝对水平的平面上，则很明显在两个位置上倾角传感器的偏移误差输出VB和未对准误差输出Ve的输出和为： 

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    Vo=VB+Ve    （1） 

    假设旋转底座相对于Y轴倾斜了角度φ，则分析过程如下，如图2所示。

图2 在直径相对位置旋转传感器将产生相等的电磁场和相反的极性

    很明显图2所示的旋转传感器时，角度φ在这两个位置是相同的。显然输入轴线的方向是相反的，这样输出电压的Vφ极性也相反。在位置1和位置2电压输出是重叠的： 
  
    V1=Vo+Vφ=VB+Ve+Vφ（2） 
    V2=Vo-Vφ=VB+Ve-Vφ（3） 
  
    最后，位置1和位置2的输出相减（V1-V2=2Vφ）即可得到结果：

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    一般来说，从等式中可以看出偏移误差和未对准误差是可以完全消除，从而可以得到真实的角度。事实上，这就是自动调零的作用。要把这些理论应用于实践，以下的基本条件必须满足： 
  
    （1）在位置2时的旋转圆盘的表面必须与位置1的表面平行。 
    （2）因为倾角传感器事实上是一个加速度计，所以在执行误差校正操作时仪器必须静止，而且要尽量避免震动。 
    （3）在测量位置的读数应该在倾角传感器的输出达到平衡状态时读取。 
  
    三、系统工作原理和结构 
  
    根据上面提出的自动调零的理论基础，要实现倾角传感器的自动调零，倾角传感器需要精确旋转180o。经过对各种微电机的比较，选用易于进行精确控制的步进电机来实现平台的旋转，然后将倾角传感器精确地安装在此平台上。倾角传感器在两个相反位置上的读数需要用足够位数、精度和响应速度的A/D转换器进行转换，最后利用单片机存储和计算最终结果。其数字输出结果通过RS-232或者其他形式进行输出，如图3所示。

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图3 自动调零伺服倾角传感器设计结构图

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    四、试验结果 
  
    1. 温度漂移试验 
  
    经过对倾角传感器自动调零原理的研究，设计并实现了自动调零伺服倾角传感器样机。为了验证自动调零伺服倾角传感器的自动调零和消除漂移特性，对此倾角传感器进行高低温试验。其温度试验结果如表1所示，其中V0和V180是内部倾角传感器在自动调零校正操作时在两个测量位置直接读取的，而Vout是调零校正后的计算结果（下同）。 

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表1 零位温度试验结果(1V/°)

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   然后对结果进行修正，用于对数据进行分析，修正后的结果如表2所示。可以得到温度变化-输出变化特性图，如图4所示。可以看出，在低温-40℃到高温60℃的温度范围内，内部倾角传感器的输出V0具有最大为0.135V的温度灵敏性。而当经过偏移校正后，倾角传感器的输出Vout具有最大为0.01V的温度灵敏性。也就是说此倾角传感器的零位温度系数小于0.0001°/℃，其调零精度达到0.01°，达到了自动调零的目的，能够满足测试设备的要求。 

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表2 修正后的结果

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图4 零位温度试验的输出变化特性图

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  2. 零位重复性试验 
  
    零位重复性是指倾角传感器偏离零位后再恢复至零位时倾角的变化值。其数据记录结果如表3所示。对数据记录分析可知，自动调零伺服倾角传感器的零位重复性为0.001°。

表3 零位重复性实验记录表

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   3. 误差分析试验 

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    常温20℃，在-10°～10°范围内对倾角传感器进行测试，分别记录V0、V180和Vout。根据测的数据可以得到此倾角传感器的在20℃时的线性图如图5。

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图5 室温20°传感器输出线性图

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    根据以上测得的数据可以计算出此倾角传感器输出Vout在全量程范围内的非线性误差为0.02°，能够满足测试设备的要求。

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    4. 振动试验 
  
    将倾角传感器放在振动台上进行振动试验，振动试验的技术条件如表4所示。记录振动试验前后倾角传感器的零位输出V0、V180和Vout。其试验数据如表5所示。

表4 振动试验技术条件

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表5 振动试验数据

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    经过对以上数据的分析，画出Vout在振动前后的对比图如图6所示。从图中可以看出自动调零伺服倾角传感器具有良好的抗振动和抗冲击性能，能够满足测试设备的要求。

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图6 输出Vout在振动前后的对比图

    5. 连续工作试验 
  
    连续工作试验是指将自动调零伺服倾角传感器通电使之连续工作24小时，并在每隔1小时时记录其数据输出V0、V180和Vout的值。根据连续工作试验记录可以画出其连续工作的输出变化图，如图7所示。

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图7 连续工作试验输出变化图

    五、试验结果 
  
    经过对自动调零伺服倾角传感器样机进行试验，最终测得其技术参数如下： 
  
    六、结束语 
  
    零位偏差和漂移是所有传感器都待解决的技术难题，本文通过研究自动调零的模型和方法及补偿量的算法，建立一套倾角传感器自动调零的理论和方法，设计实现了自动调零伺服倾角传感器样机，经过试验证明其具有良好的自动调零特性并能够消除漂移问题，具有非常重要的应用价值。

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