本申請(qǐng)涉及角度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種傾角檢測(cè)裝置，還涉及一種該傾角檢測(cè)裝置的角度解算方法。

背景技術(shù)：

傾角檢測(cè)裝置譬如傾斜儀，是用于測(cè)量目標(biāo)表面相對(duì)于當(dāng)?shù)厮矫娴膬A斜角度的儀器。高精度傾斜儀是精密儀器研制的重要領(lǐng)域之一，極高精度的傾斜儀(分辨率達(dá)0.001角秒)可用于對(duì)地傾斜固體潮檢測(cè)、地殼形變監(jiān)測(cè)或地球動(dòng)力學(xué)研究；高精度的傾斜儀(分辨率達(dá)0.1角秒)也可用于測(cè)量艦船、戰(zhàn)車的傾斜角度，或者地質(zhì)鉆探、測(cè)井等領(lǐng)域。

在地球物理應(yīng)用領(lǐng)域，基于不同的原理，有水管傾斜儀、水平擺/豎直擺/折疊擺傾斜儀、氣泡傾斜儀、激光傾斜儀等類型，其精度極高但量程都很小，而且體積大，對(duì)使用環(huán)境的溫度穩(wěn)定度、殘余振動(dòng)等條件要求苛刻，甚至需要進(jìn)行氣壓檢測(cè)和同步改正。

在工程應(yīng)用上的一些高精度商用傾斜儀，例如rion公司的傾斜儀，產(chǎn)品體積和功耗較小，其敏感結(jié)構(gòu)為擺系，測(cè)量范圍可以達(dá)到±15°，但分辨率和精度均有待提高。此外，部分采用adxl335三軸加速度傳感器構(gòu)建的傾斜儀可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)傾斜方向上接近±90°的測(cè)量，其測(cè)量精度只有約700角秒(0.2°)；受測(cè)量原理限制，在接近±90°時(shí)精度較差。

在具體的工作原理中，無(wú)論是基于擺系還是基于二軸加速度計(jì)的傾斜儀，其原理均為由當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭0在傾斜儀敏感軸上的分加速度解算角度，即θ＝arcsin(a/g0)，a為擺系或加速度計(jì)測(cè)量得到的加速度。此時(shí)傾斜儀有兩種安裝方式：(1)兩個(gè)加速度計(jì)的測(cè)量軸在接近水平面的位置。此時(shí)，當(dāng)傾斜儀在不同的重力加速度g0的環(huán)境下使用時(shí)，除非重新進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，否則將出現(xiàn)不可忽視的系統(tǒng)誤差；(2)當(dāng)兩個(gè)測(cè)量軸安裝在其他方向時(shí)，只能測(cè)量?jī)x器在兩個(gè)軸所在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角由α＝arctan(ay/az)式給出，其中ay、az分別為兩個(gè)敏感軸測(cè)量的加速度值。該方案不能準(zhǔn)確給出安裝平面相對(duì)于水平面的角度，因此具有明顯的原理局限性。

基于三軸加速度計(jì)的傾斜儀，利用第三只加速度計(jì)的輸出參與角度解算，可以從模型上有效克服上述局限性。但現(xiàn)有基于三軸加速度計(jì)的傾斜儀受到諸多因素的限制，例如加速度計(jì)的噪聲、模型誤差、角度解算方式、環(huán)境溫度和磁場(chǎng)擾動(dòng)誤差等，其測(cè)量精度未能達(dá)到角秒量級(jí)。因此，現(xiàn)有基于加速度計(jì)方案的傾斜儀等傾角檢測(cè)裝置，其精度有待提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種傾角檢測(cè)裝置及其角度解算方法，抑制加速度計(jì)的噪聲、模型誤差、環(huán)境溫度和磁場(chǎng)擾動(dòng)等所帶來(lái)的影響及誤差，，并改進(jìn)角度解算方式，以提高傾角檢測(cè)的精度。

一種傾角檢測(cè)裝置，所述傾角檢測(cè)裝置包括：

敏感軸相互正交設(shè)置的第一加速度計(jì)、第二加速度計(jì)和第三加速度計(jì)；

溫控模塊，用于提供恒溫空間，以設(shè)置所述第一加速度計(jì)、第二加速度計(jì)和第三加速度計(jì)；

磁屏蔽模塊，用于屏蔽環(huán)境磁場(chǎng)的波動(dòng)，所述第一加速度計(jì)、第二加速度計(jì)和第三加速度計(jì)均設(shè)于所述磁屏蔽模塊所形成的磁屏蔽空間內(nèi)。

一種基于上述傾角檢測(cè)裝置的角度解算方法，所述傾角檢測(cè)裝置還包括伺服電路，所述角度解算方法包括：

其中，定義第一加速度計(jì)的敏感軸所在的軸為x軸且其垂直于所述底座所在的平面，定義第二加速度計(jì)和第三加速度計(jì)的敏感軸所在的軸分別為y軸和z軸，ax、ay、az分別為第一加速度計(jì)、第二加速度計(jì)和第三加速度計(jì)在傾角檢測(cè)裝置相對(duì)于初始水平面發(fā)生變化時(shí)的對(duì)應(yīng)測(cè)量值，α、β分別為第二加速度計(jì)和第三加速度計(jì)的敏感軸相對(duì)于所述初始水平面的傾角；

其中，定義所述底座所在的平面初始時(shí)平行于所述初始水平面，γ為所述底座相對(duì)于所述初始水平面發(fā)生變化的角度。

上述傾角檢測(cè)裝置及其角度解算方法，在傳統(tǒng)的三軸加速度計(jì)基礎(chǔ)上，通過(guò)溫控模塊有效地降低溫度帶來(lái)的影響，并通過(guò)磁屏蔽模塊降低磁場(chǎng)擾動(dòng)所帶來(lái)的誤差，使兩者引起的噪聲大幅降低。此外，本申請(qǐng)能夠?qū)崿F(xiàn)角秒量級(jí)的高精度計(jì)算。

附圖說(shuō)明

圖1為一實(shí)施例中傾角檢測(cè)裝置的部分剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其中，還顯示了定義的三維坐標(biāo)關(guān)系示意圖；

圖2為一實(shí)施例中傾角檢測(cè)裝置的具體實(shí)現(xiàn)模塊框圖。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1，圖1為一實(shí)施例中傾角檢測(cè)裝置的部分剖面結(jié)構(gòu)示意圖，在本實(shí)施例中，所述傾角檢測(cè)裝置包括但不限于第一加速度計(jì)2a、第二加速度計(jì)2b、第三加速度計(jì)2c、溫控模塊(未標(biāo)示)以及磁屏蔽模塊5。需要說(shuō)明的是，第一加速度計(jì)2a、第二加速度計(jì)2b、第三加速度計(jì)2c、溫控模塊以及磁屏蔽模塊5為本實(shí)施例的最小可實(shí)現(xiàn)模組，其可以架構(gòu)于圖1所示的結(jié)構(gòu)中，但在其他實(shí)施例中也可以不包括圖1所示的其他結(jié)構(gòu)、或可以替換圖1所示的其他結(jié)構(gòu)，在此不作限定。

其中，第一加速度計(jì)2a、第二加速度計(jì)2b、第三加速度計(jì)2c可以采用石英撓性加速度計(jì)或其他類型的加速度計(jì)、或其組合進(jìn)行配置使用。進(jìn)一步而言，可以采用μg精度級(jí)別或低于μg精度級(jí)別的加速度計(jì)，在此不作限定。

在本實(shí)施例中，第一加速度計(jì)2a、第二加速度計(jì)2b和第三加速度計(jì)2c的敏感軸分別相互正交設(shè)置，不難看出，在初始狀態(tài)時(shí)，第一加速度計(jì)2a的敏感軸平行于圖1所示的x軸，第二加速度計(jì)2b的敏感軸平行于圖1所示的y軸,第三加速度計(jì)2c的敏感軸平行于圖1所示的z軸。

溫控模塊用于提供恒溫空間，以設(shè)置所述第一加速度計(jì)2a、第二加速度計(jì)2b和第三加速度計(jì)2c，亦即是說(shuō)，溫控模塊可以構(gòu)成相對(duì)密封以易于控制的恒溫、可調(diào)的收容空間，以降低溫度變化所造成的影響。其中，恒溫空間可以為多邊體型、也可以為球型等。

在本實(shí)施例中，所述第一加速度計(jì)2a、第二加速度計(jì)2b、第三加速度計(jì)2c均設(shè)于所述磁屏蔽模塊5所形成的磁屏蔽空間內(nèi)，磁屏蔽模塊5用于屏蔽環(huán)境磁場(chǎng)的波動(dòng)，避免磁場(chǎng)變化所造成的影響。相類似地，磁屏蔽空間可以為多邊體型、也可以為球型等。需要說(shuō)明的是，溫控模塊可以設(shè)于磁屏蔽空間內(nèi)，反而言之，磁屏蔽模塊5也可以設(shè)于溫控模塊提供的恒溫空間內(nèi)。

作為其中一種實(shí)施例，在圖1中，所述傾角檢測(cè)裝置還包括底座7和框架1，所述底座7與所述磁屏蔽模塊5連接設(shè)置并構(gòu)成所述磁屏蔽空間，所述框架1設(shè)置于所述底座7上，所述第一加速度計(jì)2a、第二加速度計(jì)2b和第三加速度計(jì)2c設(shè)置于所述框架1上。

需要說(shuō)明的是，所述底座7與所述磁屏蔽模塊5可以一體成型，也可以獨(dú)立加工，底座7可以采用金屬材料制得，也可以采用非金屬材料。

在具體的實(shí)施例中，所述底座7與所述磁屏蔽模塊5可以形成長(zhǎng)方體、也可以形成球體，在此不作限定。

值得注意的是，本實(shí)施例的所述溫控模塊包括但不限于緊鄰所述第一加速度計(jì)2a、第二加速度計(jì)2b和第三加速度計(jì)2c設(shè)置的溫度傳感器(未標(biāo)示)、加熱單元3，以及，設(shè)于所述溫度傳感器與所述磁屏蔽模塊5之間的保溫絕熱層4。其中，加熱單元3可以采用加熱絲或者加熱片等方式。

需要說(shuō)明的是，保溫絕熱層4可以形成相對(duì)密封的空間以收容所述第一加速度計(jì)2a、第二加速度計(jì)2b、第三加速度計(jì)2c、溫度傳感器以及加熱單元3。其中，溫度傳感器以及加熱單元3可以分布于框架1的外層。

在本實(shí)施例中，所述傾角檢測(cè)裝置還包括溫度控制器，譬如采用pi控制器與所述溫控模塊相連接，當(dāng)然，本實(shí)施例還可以采用其他主動(dòng)溫控方式的控制器，在此不作限定。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例的pi控制器為線性控制器，其可以根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例(p)和積分(i)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。

上述實(shí)施例從結(jié)構(gòu)原理層面對(duì)本申請(qǐng)進(jìn)行概述，請(qǐng)具體參閱圖2，圖2為一實(shí)施例中傾角檢測(cè)裝置的具體實(shí)現(xiàn)模塊框圖。

結(jié)合圖1參閱圖2所示，本實(shí)施例傾角檢測(cè)裝置包括但不限于結(jié)構(gòu)探頭、伺服電路6和系統(tǒng)輸出三部分，其中，結(jié)構(gòu)探頭可以為圖1所述的加速度計(jì)2a/2b/2c，以及溫控模塊，伺服電路6可以包括信號(hào)調(diào)理1/2/3/4、標(biāo)定參數(shù)1/2/3、加速度模型1/2/3、pi控制器以及角度解算等模塊，系統(tǒng)輸出則為輸出的多個(gè)角度值。在伺服電路6中，通過(guò)信號(hào)調(diào)理1/2/3/4調(diào)理加速度計(jì)2a/2b/2c的輸出信號(hào)，寫入加速度模型1/2/3的標(biāo)定參數(shù)1/2/3后以得到加速度計(jì)2a/2b/2c對(duì)應(yīng)的加速度輸出ax、ay、az，并通過(guò)解算得到角度的變化值以進(jìn)行系統(tǒng)輸出或顯示。此外，如圖1所示，優(yōu)選地，伺服電路6夾設(shè)于框架1和底座7之間。

需要特別說(shuō)明的是，在本實(shí)施例中，所述伺服電路6所采用的角度解算方法包括：

在式1和2中，本實(shí)施例預(yù)先定義第一加速度計(jì)2a的敏感軸所在的軸為x軸且其垂直于所述底座7所在的平面，定義第二加速度計(jì)2b和第三加速度計(jì)2c的敏感軸所在的軸分別為y軸和z軸，ax、ay、az分別為第一加速度計(jì)2a、第二加速度計(jì)2b和第三加速度計(jì)2c在傾角檢測(cè)裝置相對(duì)于初始水平面發(fā)生變化時(shí)的對(duì)應(yīng)測(cè)量值，α、β分別為第二加速度計(jì)2b和第三加速度計(jì)2c的敏感軸相對(duì)于所述初始水平面的傾角，那么，依此可以推算得到所述底座7相對(duì)于所述初始水平面發(fā)生變化的角度解算方式如下：

在式3中，定義所述底座7所在的平面初始時(shí)平行于所述初始水平面，γ為所述底座7相對(duì)于所述初始水平面發(fā)生變化的角度。

需要指出的是，上述的角度解算方法是伺服電路6的一部分，上述算法不需要計(jì)算底座7的旋轉(zhuǎn)角度，因此也與框架1繞y、z軸旋轉(zhuǎn)的次序無(wú)關(guān)，而是直接計(jì)算加速度計(jì)敏感軸相對(duì)于水平面的角度的變化，因此解算過(guò)程簡(jiǎn)潔、物理含義清晰，也不需要測(cè)量當(dāng)?shù)刂亓铀俣取A角測(cè)量過(guò)程對(duì)受到的豎直加速度擾動(dòng)也不敏感。此外不難理解的是，α、β、γ之間有如下關(guān)系：sin²γ＝sin²α+sin²β。

進(jìn)一步而言，本實(shí)施例非常適用于探測(cè)底座7相對(duì)于初始水平面的低頻傾斜，因此對(duì)安裝平面的高頻振動(dòng)不敏感，當(dāng)?shù)鬃?的低頻運(yùn)動(dòng)可以忽略時(shí)，加速度計(jì)2a/2b/2c測(cè)量值的矢量和即為當(dāng)?shù)丶铀俣戎礸0，即而當(dāng)已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭0并且誤差可以忽略時(shí)，上述計(jì)算過(guò)程才可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為基于二軸加速度計(jì)的二軸傾斜儀模型。

本實(shí)施例還提供一種用于傾角檢測(cè)裝置的角度解算方法，所述角度解算方法包括但不限于如下過(guò)程：

其中，參考式1和式2所述，定義第一加速度計(jì)的敏感軸所在的軸為x軸且其垂直于所述底座所在的平面，定義第二加速度計(jì)和第三加速度計(jì)的敏感軸所在的軸分別為y軸和z軸，ax、ay、az分別為第一加速度計(jì)、第二加速度計(jì)和第三加速度計(jì)在傾角檢測(cè)裝置相對(duì)于初始水平面發(fā)生變化時(shí)的對(duì)應(yīng)測(cè)量值，α、β分別為第二加速度計(jì)和第三加速度計(jì)的敏感軸相對(duì)于所述初始水平面的傾角；

其中，參考式3所述，定義所述底座所在的平面初始時(shí)平行于所述初始水平面，γ為所述底座相對(duì)于所述初始水平面發(fā)生變化的角度。

優(yōu)選地，本實(shí)施例的所述角度解算方法適用于前面實(shí)施例提及的傾角檢測(cè)裝置，進(jìn)一步而言，本實(shí)施例的所述角度解算方法可以通過(guò)伺服電路的方式實(shí)現(xiàn)。

需要特別指出的是，為保證上述傾斜儀的使用精度，在傾角檢測(cè)裝置應(yīng)用前還需要進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定，本實(shí)施例的所述傾角檢測(cè)裝置還可以包括參數(shù)標(biāo)定模塊(未標(biāo)示)，所述參數(shù)標(biāo)定模塊所采用的輸出模型可以包括：

ai(t)bki{k0,i+mvi(t)+k2,i·[mvi(t)]²+kt,i·[t(t)-t0]+kb,i·[b(t)-b0]}---式4

在式4中，i＝x、y和z，ki為加速度計(jì)的標(biāo)度因子，k0,i為零偏，k2,i為非線性系數(shù)，m為軸間安裝誤差角引起的耦合矩陣，kt,i、kb,i分別為對(duì)應(yīng)軸的殘余溫度響應(yīng)系數(shù)和磁場(chǎng)響應(yīng)系數(shù)，t0和b0分別為標(biāo)定開始時(shí)環(huán)境溫度和磁場(chǎng)的初始值。其中，其他參數(shù)在本領(lǐng)域中屬于現(xiàn)有技術(shù)，在此不作限定和贅述。

進(jìn)一步而言，本實(shí)施例的ki、k0,i、k2,i、m為在溫度和磁場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)采用高精度傾斜平臺(tái)標(biāo)定，kt,i為在環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)中標(biāo)定的殘余溫度響應(yīng)系數(shù)，kb,i磁場(chǎng)響應(yīng)系數(shù)在標(biāo)定確認(rèn)后可忽略為零。

通過(guò)上述方式，可以得到圖2所示的標(biāo)定參數(shù)1/2/3，即得到加速度計(jì)2a/2b/2c的輸出模型系數(shù)，用修正后的加速度輸出解算測(cè)量角度α、β、γ，以便達(dá)到角秒量級(jí)的傾角測(cè)量精度。

結(jié)合上述實(shí)施例所述，本實(shí)施例還可以提供一種傾角檢測(cè)裝置的參數(shù)標(biāo)定方法，所述參數(shù)標(biāo)定方法所采用的輸出模型可以為上述式4，即：

ai(t)bki{k0,i+mvi(t)+k2,i·[mvi(t)]²+kt,i·[t(t)-t0]+kb,i·[b(t)-b0]}

如前所述，i＝x、y和z，ki為加速度計(jì)的標(biāo)度因子，ax、ay、az分別為第一加速度計(jì)、第二加速度計(jì)和第三加速度計(jì)在傾角檢測(cè)裝置相對(duì)于初始水平面發(fā)生變化時(shí)的對(duì)應(yīng)測(cè)量值，k0,i為零偏，k2,i為非線性系數(shù)，m為軸間安裝誤差角引起的耦合矩陣，kt,i、kb,i分別為對(duì)應(yīng)軸的殘余溫度響應(yīng)系數(shù)和磁場(chǎng)響應(yīng)系數(shù)，t0和b0分別為標(biāo)定開始時(shí)環(huán)境溫度和磁場(chǎng)的初始值。

參考前面實(shí)施例的描述，所述參數(shù)標(biāo)定方法具體包括：在溫度和磁場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)采用高精度傾斜平臺(tái)標(biāo)定ki、k0,i、k2,i、m，在環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)中標(biāo)定的殘余溫度響應(yīng)系數(shù)kt,i，kb,i磁場(chǎng)響應(yīng)系數(shù)忽略為零。

上述傾角檢測(cè)裝置及其參數(shù)標(biāo)定方法，在傳統(tǒng)的三軸加速度計(jì)基礎(chǔ)上，通過(guò)溫控模塊有效地降低溫度帶來(lái)的影響，并通過(guò)磁屏蔽模塊降低磁場(chǎng)擾動(dòng)所帶來(lái)的誤差，使兩者引起的噪聲大幅降低。此外，本申請(qǐng)采用特定的算法修正加速度輸出結(jié)果，從而能夠?qū)崿F(xiàn)角秒量級(jí)的高精度計(jì)算。該發(fā)明基于成熟的加速度計(jì)技術(shù)，構(gòu)建的傾角測(cè)量裝置使得在待測(cè)表面發(fā)生大角度傾斜時(shí)也能確保傾斜角的測(cè)量精度，且測(cè)量對(duì)豎直加速度擾動(dòng)具有共模抑制能力，使該發(fā)明具有較好的經(jīng)濟(jì)適用價(jià)值。

在本申請(qǐng)所提供的幾個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)該理解到，所揭露裝置和方法，可以通過(guò)其它的方式實(shí)現(xiàn)。例如，以上所描述的裝置實(shí)施例僅僅是示意性的，所述模塊或單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可以有另外的劃分方式，例如多個(gè)單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個(gè)系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點(diǎn)，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過(guò)一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機(jī)械或其它的形式。

所述作為分離部件說(shuō)明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，或者也可以分布到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部單元來(lái)實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。

另外，在本申請(qǐng)各個(gè)實(shí)施例中的各功能單元可以集成在一個(gè)處理單元中，也可以是各個(gè)單元單獨(dú)物理存在，也可以兩個(gè)或兩個(gè)以上單元集成在一個(gè)單元中。上述集成的單元既可以采用硬件的形式實(shí)現(xiàn)，也可以采用軟件功能單元的形式實(shí)現(xiàn)。

所述集成的單元如果以軟件功能單元的形式實(shí)現(xiàn)并作為獨(dú)立的產(chǎn)品銷售或使用時(shí)，可以存儲(chǔ)在一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中。基于這樣的理解，本申請(qǐng)的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說(shuō)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分或者該技術(shù)方案的全部或部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來(lái)，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)或處理器(processor)執(zhí)行本申請(qǐng)各個(gè)實(shí)施方式所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲(chǔ)介質(zhì)包括：u盤、移動(dòng)硬盤、只讀存儲(chǔ)器(rom，read-onlymemory)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲(chǔ)程序代碼的介質(zhì)。

以上所述僅為本申請(qǐng)的實(shí)施例，并非因此限制本申請(qǐng)的專利范圍，凡是利用本申請(qǐng)說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本申請(qǐng)的專利保護(hù)范圍內(nèi)。