自動調零伺服傾角傳感器的設計與實現

摘要：零位偏差和漂移是所有傾角傳感器都待解決的技術難題。本文通過水泡尺旋轉180º找平的古老方法深入研究傳感器的調平原理，建立一套傾角傳感器自動調零的理論和方法。采用步進電機和單片機控制技術設計實現自動調零伺服傾角傳感器，很好的解決了零位偏差，時間漂移和溫度漂移等問題，使傾角傳感器的性能得到提高，具有非常重要的應用價值。
關鍵詞：自動調零；伺服；傾角傳感器；零位偏差；漂移

一、引言

傾角傳感器是測量關于水平面的傾斜角的裝置，在土木建筑、水文地質、兵器、航空航天、生物醫學等工程技術領域有著廣泛的用途。傾角傳感器種類繁多，按照其工作原理可以分為“固體擺”式，“液體擺”式，“氣體擺”式三種傾角傳感器。對于固體擺式傾角傳感器的研究已經比較成熟，且應用廣泛，但其易受外界干擾，如機械振動沖擊；而液體擺式傾角傳感器具有靈敏度高、耐腐蝕、耐潮濕等特點，但其致命的缺點是溫度變化會嚴重影響其工作特性，從而限制了液體擺式傾角傳感器的發展和應用；氣體擺式傾角傳感器結構簡單，抗振動和抗沖擊能力強，但其受環境溫度影響較大，測試精度不高。總之，現有的傾角傳感器的精度需要較高的成本來提高，并存在零位偏差，時間漂移和溫度漂移等問題。

針對上述問題本文設計了一種基于自動調零理論的自動調零伺服傾角傳感器，其基本思想源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺旋轉180°找平的古老方法，并采用步進電機及單片機控制技術設計和實現。這種自動調零伺服傾角傳感器能很好的解決零位偏差，時間漂移和溫度漂移等問題，使傾角傳感器的性能得到了提高，具有非常重要的應用價值。

二、理論基礎

自動調零伺服傾角傳感器是設計用來校正各種來源的零位偏差和漂移。其基本思想來源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺在被測物體表面旋轉180º來找平的古老方法。如果水泡顯示了相同的結果就表示工作正常，否則就指示一個等于水泡頂點位置差額的一半的錯誤。在本文的應用中，伺服傾角傳感器位于一個輸入軸IA平行于其表面的旋轉圓盤上，當要執行偏移校正操作時可以直接旋轉180º到圓盤的相反位置上，如圖1所示。

圖1伺服傾角計的零位偏差不依賴于傳感器的位置。因此，當附于水平旋轉圓盤上的傳感器轉到兩個不同位置時，其輸出將不會改變。

傾角傳感器在零輸入（傾角傳感器的底座位于絕對水平的表面上）時的輸出由兩部分組成：

（1）偏移誤差VB定義為不依賴于傾角傳感器位置的輸出。
（2）未對準誤差角e主要是由于傾角傳感器的底座沒有與測量軸線絕對平行而造成的。這樣就引起了一個與未對準角度成比例的輸出電壓Ve（對于很小的角度來說，sine≈e）。

如果圖1中的旋轉底座在一個絕對水平的平面上，則很明顯在兩個位置上傾角傳感器的偏移誤差輸出VB和未對準誤差輸出Ve的輸出和為：

Vo=VB+Ve。（1）

假設旋轉底座相對于Y軸傾斜了角度φ，則分析過程如下，如圖2所示。



很明顯圖2所示的旋轉傳感器時，角度φ在這兩個位置是相同的。顯然輸入軸線的方向是相反的，這樣輸出電壓的Vφ極性也相反。在位置1和位置2電壓輸出是重疊的：

V1=Vo+Vφ=VB+Ve+Vφ（2）
V2=Vo-Vφ=VB+Ve-Vφ（3）

最后，位置1和位置2的輸出相減（V1-V2=2Vφ）即可得到結果：

般來說，從等式中可以看出偏移誤差和未對準誤差是可以完全消除，從而可以得到真實的角度。事實上，這就是自動調零的作用。要把這些理論應用于實踐，以下的基本條件必須滿足：

（1）在位置2時的旋轉圓盤的表面必須與位置1的表面平行。
（2）因為傾角傳感器事實上是一個加速度計，所以在執行誤差校正操作時儀器必須靜止，而且要盡量避免震動。
（3）在測量位置的讀數應該在傾角傳感器的輸出達到平衡狀態時讀取。

三、系統工作原理和結構

根據上面提出的自動調零的理論基礎，要實現傾角傳感器的自動調零，傾角傳感器需要精確旋轉180º。經過對各種微電機的比較，選用易于進行精確控制的步進電機來實現平臺的旋轉，然后將傾角傳感器精確地安裝在此平臺上。傾角傳感器在兩個相反位置上的讀數需要用足夠位數、精度和響應速度的A/D轉換器進行轉換，最后利用單片機存儲和計算最終結果。其數字輸出結果通過RS-232或者其他形式進行輸出，如圖3所示。



四、試驗結果

1、溫度漂移試驗

經過對傾角傳感器自動調零原理的研究，設計并實現了自動調零伺服傾角傳感器樣機。為了驗證自動調零伺服傾角傳感器的自動調零和消除漂移特性，對此傾角傳感器進行高低溫試驗。其溫度試驗結果如表1所示，其中V0和V180是內部傾角傳感器在自動調零校正操作時在兩個測量位置直接讀取的，而Vout是調零校正后的計算結果（下同）。


然后對結果進行修正，用于對數據進行分析，修正后的結果如表2所示。可以得到溫度變化-輸出變化特性圖，如圖4所示。可以看出，在低溫-40℃到高溫60℃的溫度范圍內，內部傾角傳感器的輸出V0具有最大為0.135V的溫度靈敏性。而當經過偏移校正后，傾角傳感器的輸出Vout具有最大為0.01V的溫度靈敏性。也就是說此傾角傳感器的零位溫度系數小于0.0001°/℃，其調零精度達到0.01°，達到了自動調零的目的，能夠滿足測試設備的要求。

2.零位重復性試驗

零位重復性是指傾角傳感器偏離零位后再恢復至零位時傾角的變化值。其數據記錄結果如表3所示。對數據記錄分析可知，自動調零伺服傾角傳感器的零位重復性為0.001°。

3.誤差分析試驗

常溫20℃，在-10°～10°范圍內對傾角傳感器進行測試，分別記錄V0、V180和Vout。根據測的數據可以得到此傾角傳感器的在20℃時的線性圖如圖5。


根據以上測得的數據可以計算出此傾角傳感器輸出Vout在全量程范圍內的非線性誤差為0.02°，能夠滿足測試設備的要求。

4.振動試驗

將傾角傳感器放在振動臺上進行振動試驗，振動試驗的技術條件如表4所示。記錄振動試驗前后傾角傳感器的零位輸出V0、V180和Vout。其試驗數據如表5所示。

經過對以上數據的分析，畫出Vout在振動前后的對比圖如圖6所示。從圖中可以看出自動調零伺服傾角傳感器具有良好的抗振動和抗沖擊性能，能夠滿足測試設備的要求。

5.連續工作試驗

連續工作試驗是指將自動調零伺服傾角傳感器通電使之連續工作24小時，并在每隔1小時時記錄其數據輸出V0、V180和Vout的值。根據連續工作試驗記錄可以畫出其連續工作的輸出變化圖，如圖7所示。

五.試驗結果

經過對自動調零伺服傾角傳感器樣機進行試驗，最終測得其技術參數如下：

六.結束語

零位偏差和漂移是所有傳感器都待解決的技術難題，本文通過研究自動調零的模型和方法及補償量的算法，建立一套傾角傳感器自動調零的理論和方法，設計實現了自動調零伺服傾角傳感器樣機，經過試驗證明其具有良好的自動調零特性并能夠消除漂移問題，具有非常重要的應用價值。