專利名稱：基于加速度計的傾斜傳感器和使用該傾斜傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傾角計或傾斜傳感器，具體來說，涉及一基于加速度計的傾斜傳感器和使用該傾斜傳感器的方法。
背景技術(shù)：
加速度計通常安裝在各種裝置上，并用來測量裝置相對于水平軸線的傾斜度。加速度計在重力加速度下起作用并檢測重力場中的偏位。具體來說，當(dāng)一加速度計相對于水平軸線傾斜某一角度時，作用在加速度計上的重力的垂直分量發(fā)生變化，導(dǎo)致加速度計內(nèi)的電子部件不同地反應(yīng)，并變化加速度計的輸出讀數(shù)。某些加速度計利用—壓電晶體和—質(zhì)量，由此，傾斜角的變化導(dǎo)致質(zhì)量在壓電晶體上施加變化的壓力，這就產(chǎn)生輸出信號。在其它的加速度計中，使用一電容器和電阻器來有效地形成一質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，由此，輸出信號在重力作用下隨傾斜角而變化。
傳統(tǒng)的基于傾斜傳感器的加速度計對每一轉(zhuǎn)動軸線使用一單獨的加速度計。例如，一典型的雙軸線傾斜傳感器利用兩個加速度計。為了糾正誤差的目的，通常對每個轉(zhuǎn)動軸線使用一附加的加速度計。換句話說，為了讓雙軸線傾斜傳感器實現(xiàn)冗余性，需要四個加速度計。
傳統(tǒng)的基于傾斜傳感器的加速度計的一個缺點在于，它通常難于確定裝置是否合適地發(fā)揮了功能。許多基于傾斜傳感器的加速度計已安裝了能驗證加速度計合適功能的自檢模式。這些自檢模式的弱點在于，在自檢模式的時候加速度計對于傾斜不能作出反應(yīng)。
傳統(tǒng)傾斜傳感器的另一缺點在于，在安裝過程中，它通常難于精確地將加速度計的坐標(biāo)系統(tǒng)與要求測量的坐標(biāo)系統(tǒng)對齊。通常這樣的精確度需要復(fù)雜的制造過程。制造商常相對于最終組裝好的產(chǎn)品保持加速度計軸線方向的精確控制。然而，要在加速度計和最終產(chǎn)品的安裝點之間保持相同水平的精度較為困難。與加速度計測量軸線對齊不準(zhǔn)會降低沿要求方向的靈敏度而增加橫軸的靈敏度，它是對于沿正交于要求測量軸線方向的加速度的靈敏度。
傳統(tǒng)傾斜傳感器的還有另一缺點在于，如果在不改變物理設(shè)計使它能用于具有不同坐標(biāo)系統(tǒng)的各種應(yīng)用的情形下，不是不能改變最終組裝好的產(chǎn)品的坐標(biāo)系統(tǒng)的話，則這是困難的?？蓽y量傾斜的最終產(chǎn)品可用于許多各具有其自己坐標(biāo)系統(tǒng)的不同的產(chǎn)品中。因此，傾斜傳感器所要求的安裝部位和定向可能需要改變。由于這些可能性，所以，通常需要改變坐標(biāo)系統(tǒng)而不變化該傾斜傳感器。
因此，本發(fā)明的一主要目的是提供一基于傾斜傳感器的加速度計，其允許在正常操作過程中進(jìn)行誤差探測。
本發(fā)明的另一主要目的是提供一傾斜傳感器，其能容易地對齊于和安裝在一裝置上，而不需復(fù)雜的制造過程或?qū)A斜傳感器部件的調(diào)整。
上述的和其它的目的對于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員是很顯然的。

發(fā)明內(nèi)容
提供一傾斜傳感器，由此，傾斜傳感器具有安裝在一底部上并定位在一公共平面內(nèi)的至少三個加速度計。較佳地，加速度計圍繞該公共平面的原點等距離地間隔開，相對于彼此大約間隔120°角。此外，第一加速度計較佳地相對于公共平面的其中一個軸線定位在45°角處。
還提供一使用傾斜傳感器根據(jù)加速度計的讀數(shù)來確定傾斜角的方法。
附圖的簡要說明

圖1是一基于本發(fā)明的傾斜傳感器的加速度計的平面圖。
具體實施例方式
參照圖1，提供一傾斜傳感器10，其具有一用來固定到一最終組裝產(chǎn)品上的底板12，所述最終組裝產(chǎn)品諸如重型機(jī)械，或在一簡化的應(yīng)用中諸如木匠的水平儀。底板12可包括一外殼(未示出)，并可由本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的任何傳統(tǒng)材料制成。
如圖1所示，至少三個加速度計14、16和18安裝在底板12上。本發(fā)明考慮可使用附加的加速度計來用于冗余設(shè)計或可檢測兩個以上方向的傾斜。此外，加速度計14-18包括任何類型的基于力的加速度計，它們檢測帶有傾斜度的重力的偏移。
加速度計14-18定位在一公共平面內(nèi)，例如，一X-Y平面。盡管X和Y軸通常與平行于水平方向的那些軸線相關(guān)，但本發(fā)明考慮可以是任何軸線的定向，包括一Z軸或垂直軸線。較佳地，如圖1所示，加速度計14-18圍繞公共平面的原點等距離地間隔，以使加速度計14-18彼此大約間隔120°。此外，加速度計14-18較佳地定位成第一加速度計14相對于X軸成大約45°角，圖1中用角Θ表示。加速度計14-18相對于彼此固定，以使所有三個都經(jīng)受相同的重力加速度。
諸如加速度計14和16的兩個加速度計足以用來測量圍繞X和Y軸的傾斜。添加的第三個加速度計18提供沿兩個方向的冗余性，其可用于加速度計讀數(shù)中的誤差探測。利用加速度計14-18，三個加速度計讀數(shù)的代數(shù)和總等于零。一非零的總和表示一誤差，或在一個或多個三個讀數(shù)中的誤差項，因此可指示一有誤差的加速度計。
因為通常的制造存在公差，所以，不可能總是如圖1所示準(zhǔn)確地進(jìn)行定位，且各加速度計的靈敏度不可能如所期望的那樣準(zhǔn)確。這樣，在求和之前，各個讀數(shù)需要用一常數(shù)乘子進(jìn)行換算。此外，加速度計14-18對沿Z軸或垂直軸線的加速度計可具有某種靈敏度。對于小于25°的傾斜角，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，沿Z軸的重力分量的變化不超過10％，于是可作為一常數(shù)處理。因此，加速度計讀數(shù)之和加上一常數(shù)，在一寬的傾斜范圍上幾乎等于零。如果該和超過一預(yù)定的閾值，則對一個或多個加速度計可能有一誤差。
在實踐中，當(dāng)傾斜傳感器10相對于水平方向傾斜時，加速度計14-18檢測重力中的偏移。這樣，加速度計14-18的讀數(shù)隨傾斜傳感器10的傾斜角而變化。從這些讀數(shù)中，可計算加速度的X和Y分量，然后，它們用來推導(dǎo)出傾斜角。具體來說，通過三個加速度計讀數(shù)的加權(quán)的和加上一常數(shù)Cx，可求得加速度的X分量Ax，或者是Ax＝Cx+A1Cx1+A2Cx2+A3Cx3其中，A1是加速度計14的讀數(shù)，A2是加速度計16的讀數(shù)，A3是加速度計18的讀數(shù)，Cx1是加速度計14的加權(quán)系數(shù)，Cx2是加速度計16的加權(quán)系數(shù)，Cx3是加速度計18的加權(quán)系數(shù)。本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將會理解到，A1Cx1的相乘形成一加權(quán)的加速度值。通過三個加速度計讀數(shù)的不同的加權(quán)的和加上一不同的常數(shù)Cy，可求得加速度的Y分量Ay，或者是Ay＝Cy+A1Cy1+A2Cy2+A3Cy3因為在制造過程中的對齊不準(zhǔn)，所以，難于知道諸加速度計的實際定向，于是，為求得最大的精確度，對于每個加速度計的加權(quán)系數(shù)和常數(shù)可用實驗方法予以確定。具體來說，在傳感器10已經(jīng)制造好之后，實驗可產(chǎn)生最佳的結(jié)果。在求得加速度Ax和Ay之后，則使用一反正弦函數(shù)將加速度轉(zhuǎn)換為相對于X和Y軸的傾斜角。
使用多個加速度計讀數(shù)的加權(quán)的和來求沿一單一軸的加速度的這種方法，可容易地加以擴(kuò)大來適應(yīng)任何數(shù)量的附加的加速度計。
使用四個加速度計可提供使用三個的所有優(yōu)點，但也可提供足夠的信息來確定在一單一加速度計失效的情形中那一個加速度計是故障的。如果安裝四個加速度計，每隔45°安裝在0°、45°、90°和135°處，則可使用任何兩個來求沿X和Y方向的傾斜角，而可使用任何三個來求傾斜角和探測誤差。四個加速度計給出四個獨特組的三個加速度計。如果一單一加速度計失效，則這四組之一將不包含故障的讀數(shù)并可用來獲得對于X和Y軸的正確的加速度值。其它三組將都包含故障的讀數(shù)，并將指示誤差且應(yīng)予以忽略。使用四個以此方式的加速度計可提供誤差的探測，并在一單一加速度計失效的情形中提供糾正。即使有一單一的加速度計失效，也仍可提供誤差探測，其驗證其余三個加速度計發(fā)揮功能正常。
通過調(diào)整用來計算沿X和Y方向的加速度的系數(shù)和常數(shù)，可以實現(xiàn)X和Y軸定向的改變。這樣，加速度計14-18中沒有一個需要改變或調(diào)整。唯一的限制在于，新的X-Y平面必須保持平行于加速度計14-18所安裝的平面。
由此可見，通過利用對齊在一公共平面內(nèi)的三個加速度計，本發(fā)明提供了在正常操作過程中沿兩個方向的冗余性，由此，減少所使用的部件數(shù)量并不再需要復(fù)雜的制造過程。
權(quán)利要求
1.一具有一底板的傾斜傳感器，包括安裝在底板上并定位在一公共平面內(nèi)的至少三個加速度計。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，諸加速度計相對于彼此以120°角度安裝。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，平面具有兩條彼此成直角設(shè)置的相交軸。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，其中一個加速度計相對于一條軸成45°角安裝。
5.一測量傾斜角的方法，包括以下步驟提供安裝在一底板上一公共平面內(nèi)的至少三個加速度計；探測各個加速度計上的重力加速度；根據(jù)探測得的加速度計算傾斜度。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟確定一誤差項。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，通過計算加速度計檢測的加速度的加權(quán)的和加上一常數(shù)來求得該誤差項。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在裝置制造之后用加速度計進(jìn)行實驗后確定加權(quán)的和及常數(shù)。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，根據(jù)檢測的加速度計算傾斜度的步驟還包括以下步驟通過每個加速度計檢測的加速度乘上各加速度計專用的加權(quán)系數(shù)確定每個加速度計的加權(quán)的加速度值；以及計算加權(quán)的加速度值的和并加上一常數(shù)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在裝置制造之后用加速度計進(jìn)行實驗后確定加權(quán)系數(shù)及常數(shù)。
全文摘要
一傾斜傳感器和一利用傾斜傳感器來計算傾斜度的方法，由此，傾斜傳感器具有安裝在一底板上的至少三個加速度計，諸加速度計定位在一公共的平面內(nèi)，其中，各個加速度計較佳地以等距離角度彼此間隔。
文檔編號G01C9/00GK1773216SQ200510120160
公開日2006年5月17日 申請日期2005年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月8日
發(fā)明者L·戴維森 申請人:沙厄-丹福絲股份有限公司