基于過采樣技術(shù)的高精度傾角測(cè)量儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種傾角測(cè)量儀，具體說的是基于過采樣技術(shù)的高精度傾角測(cè)量儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 傾角測(cè)量儀是測(cè)量水平面傾斜角的裝置，在天文儀器、房屋建筑、地質(zhì)測(cè)量、航空 航天、醫(yī)學(xué)、船舶、精密自動(dòng)化設(shè)備、機(jī)器人、鐵路橋梁等工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目 前已有的傾角測(cè)量儀主要可以分為機(jī)械式、光學(xué)式和電子式。
[0003] 大多數(shù)行業(yè)測(cè)量角度時(shí)依然沿用傳統(tǒng)的水泡式水平儀。其檢測(cè)方法是通過水泡的 位置結(jié)合操作經(jīng)驗(yàn)來判斷是否水平。液體中的氣泡具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性，易受擾動(dòng)，對(duì)水平 度的判斷只能大致估算，且不能指示出具體的傾斜度，無法進(jìn)行量化處理，故應(yīng)用范圍十分 有限。光學(xué)傾角儀主要以光學(xué)象限儀為主，利用光學(xué)刻度盤中的讀數(shù)來計(jì)算角度的大小，但 光學(xué)象限儀精度低、機(jī)構(gòu)復(fù)雜，防震性能差、不易維護(hù)，已不能滿足數(shù)字化高精度測(cè)量的要 求。電子式傾角測(cè)量儀能夠利用傾角傳感器將水平面的傾斜度轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)字信號(hào)或模 擬信號(hào)送給專用的處理器進(jìn)行運(yùn)算。一般的電子式傾角測(cè)量儀大多采用懸掛的微型自由擺 錘結(jié)構(gòu)，測(cè)量時(shí)擺錘受重力影響指向地心，當(dāng)傾角測(cè)量儀和水平面有傾角時(shí)，擺錘和水平面 就會(huì)有夾角，造成和擺錘相連的感應(yīng)線圈的電壓或極板間電容值發(fā)生改變，通過運(yùn)算電路 得出相應(yīng)的傾角值。這類傾角測(cè)量儀抗震性能差、體積較大且價(jià)格較高。因此，設(shè)計(jì)精度高、 便攜性好、穩(wěn)定性強(qiáng)的電子水平儀意義重大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于過采樣技術(shù)的高精度傾角測(cè)量儀，采 用微加速度計(jì)FXLN8361為測(cè)量元件，高性能低功耗單片機(jī)MSP430F5529作為控制器，利用 雙軸測(cè)量法對(duì)被側(cè)面的傾斜進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了傾角靈敏度的恒定。通過過采樣算法，能夠?qū)?測(cè)量的最小角度從0.8°提高至0.05°。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，所采用的技術(shù)方案是：基于過采樣技術(shù)的高精度傾角測(cè)量 儀，其特征在于：包括FXLS8471Q微加速度計(jì)和MSP430F5638控制器，F(xiàn)XLS8471Q微加速度 計(jì)通過調(diào)理電路將采集信號(hào)送入MSP430F5638控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，MSP430F5638控制器采用 過采樣算法以及雙軸傾角計(jì)算將采集信號(hào)的轉(zhuǎn)換結(jié)果傳輸給顯示單元進(jìn)行顯示，，使測(cè)量 的最小角度達(dá)到0.05°。
[0006] 本發(fā)明所述的調(diào)理電路采用AD623放大器構(gòu)成。
[0007] 本發(fā)明有益效果是：采用微加速度計(jì)FXLN8361為測(cè)量元件，使用高性能低功耗單 片機(jī)MSP430F5529作為控制器。利用雙軸測(cè)量法對(duì)被側(cè)面的傾斜進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了傾角靈 敏度的恒定。通過過采樣算法，能夠?qū)y(cè)量的最小角度從0.8°提高至0.05°。對(duì)測(cè)量儀進(jìn) 行校準(zhǔn)后，通過實(shí)驗(yàn)得出最小可測(cè)量的角度和理論分析的基本吻合。測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng) 過線性擬合分析后，得出曲線斜率的標(biāo)準(zhǔn)差為：截距標(biāo)準(zhǔn)差為〇. 00277。線 性誤差小于0. 00525%。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的雙軸測(cè)量原理圖； 圖3為本發(fā)明的四象限測(cè)量示意圖； 圖4為本發(fā)明的FXLN8361電路圖； 圖5為本發(fā)明的調(diào)理電路圖； 圖6為本發(fā)明的分辨力實(shí)驗(yàn)圖； 圖7為本發(fā)明的測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】 [0009] 1水平儀組成 水平儀的核心器件是能夠檢測(cè)重力隨傾角變化的傳感器。本測(cè)量儀采用飛思卡爾公 司最新的差動(dòng)電容式三軸加速度傳感器FXLN8361，采用模擬量輸出。由于傳感器輸出的信 號(hào)不可避免的具有噪聲，并且電平的變化范圍也不在單片機(jī)處理的理想范圍內(nèi)。所以在傳 感器和單片機(jī)之間加入了集成運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。使用TI公司的高性能單片機(jī) MSP430F5529做為控制核心，該單片機(jī)內(nèi)部的RAM達(dá)到了 10KB，能夠滿足數(shù)據(jù)緩存的需要。 程序存儲(chǔ)空間FLASH達(dá)到128KB，使得單片機(jī)內(nèi)部空間能夠滿足運(yùn)算程序的存儲(chǔ)。內(nèi)部具有 多路時(shí)鐘選擇寄存器BCM(Basic Clock Module)，可以根據(jù)程序運(yùn)算的需要，為不同的模塊 分配不同的時(shí)鐘頻率，降低功耗提高運(yùn)算效率。同時(shí)該單片機(jī)內(nèi)部的具有12位的ADC，采 用過采樣技術(shù)進(jìn)一步提高分辨率后，可以實(shí)現(xiàn)高精度的傾角檢測(cè)。測(cè)量儀的系統(tǒng)框圖如圖 1所示。
[0010] 2傾角測(cè)量方法分析 2. 1單軸傾角計(jì)算 采用單軸測(cè)量，測(cè)量軸加速度的輸出和傾角的變化有如下關(guān)系：
其中為測(cè)量軸的加速度值，傾角1的單位為弧度。根據(jù)已有的測(cè)量方法和經(jīng)驗(yàn)，在 傾角很小的時(shí)候，這種測(cè)量關(guān)系具有很好的靈敏度。當(dāng)測(cè)量軸和水平面的夾角增加時(shí)，靈敏 度會(huì)降低。這種線性關(guān)系的誤差就會(huì)增加，當(dāng)傾角接近90度時(shí)，傾角的變化幾乎不會(huì)影響 測(cè)量結(jié)果的變化，使測(cè)量無法進(jìn)行。從而產(chǎn)生的限制是需要高分辨率的ADC芯片來實(shí)現(xiàn)大 范圍的有效傾角測(cè)量，現(xiàn)有的ADC芯片難以達(dá)到要求。因此測(cè)量角度的關(guān)鍵問題是解決靈 敏度隨傾角增加而逐漸下降的問題。
[0011] 2.2雙軸傾角計(jì)算 本文采用增加一個(gè)和原有測(cè)量軸垂直的測(cè)量軸的辦法來解決這個(gè)問題。其測(cè)量原理如 圖2所示。
[0012] 使用雙軸測(cè)量會(huì)使得測(cè)量儀具備恒定的靈敏度。由于雙軸垂直關(guān)系，X軸檢測(cè)的 加速度和夾角的正弦成正比，Y軸檢測(cè)的加速度和對(duì)應(yīng)夾角的余弦成正比。由于測(cè)量軸的 傾角接近于〇度時(shí)的靈敏度最高，所以雙軸垂直測(cè)量時(shí)總有一個(gè)軸的加速度變化率被最先 識(shí)別。當(dāng)傾角增加時(shí)，一個(gè)軸的靈敏度下降必然伴隨著另一個(gè)軸靈敏度的增加。其結(jié)果是 靈敏度的數(shù)值基本保持恒定。
[0013] 因此，可以將測(cè)量方法改為：計(jì)算X軸的反正弦函數(shù)和Y軸的反余弦函數(shù)，計(jì)算二 者的比值，可得：
費(fèi):單位為弧度。
[0014] 使用雙軸測(cè)量能夠使水平儀區(qū)分各個(gè)像限并在整個(gè)360度范圍內(nèi)測(cè)量角度，如圖 3所示。
[0015] 每個(gè)像限都具有和X軸和Y軸的加速度符號(hào)相關(guān)的組合?？梢酝ㄟ^加速度計(jì)采集 的數(shù)據(jù)大小來判斷某一傾角時(shí)加速度計(jì)所處的像限。
[0016] 3過采樣算法 由于采用了雙軸傾斜測(cè)量法，傳感器在測(cè)量范圍內(nèi)的靈敏度是恒定的，因此傾角測(cè)量 時(shí)的分辨率就由ADC芯片的分辨率來決定。測(cè)量儀采用了 12位的片內(nèi)ADC，配合過采樣算 法可以在不增加硬件的基礎(chǔ)上大大提高分辨率。
[0017] 過采樣技術(shù)是采用高于Nyquist奈奎斯特采樣頻率的ADC采樣速率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn) 行采樣。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率必須高于被采樣頻率的2倍以上才能夠可靠的 復(fù)現(xiàn)被采樣信號(hào)。采樣信號(hào)的奈奎斯特頻率f n定義為： fn=2fn (4) fm為被米樣?目號(hào)最尚頻率，當(dāng)米樣頻率f s尚于f "時(shí)，稱為過米樣，用過米樣率來表不：
一般情況下會(huì)有小于fs/2的干擾成分混疊在測(cè)量頻帶內(nèi)，用帶內(nèi)噪聲能量密度譜 (ESD)表示為： E(f) =