自动调零伺服倾角传感器的设计与实现

发布于：2006/9/4 9:35:35 | 880 次阅读

[转载]原文链接：

摘要：零位偏差和漂移是所有倾角传感器都待解决的技术难题。本文通过水泡尺旋转180º找平的古老方法深入研究传感器的调平原理，建立一套倾角传感器自动调零的理论和方法。采用步进电机和单片机控制技术设计实现自动调零伺服倾角传感器，很好的解决了零位偏差，时间漂移和温度漂移等问题，使倾角传感器的性能得到提高，具有非常重要的应用价值。
关键词：自动调零；伺服；倾角传感器；零位偏差；漂移

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，测试不高。总之，现有的倾角传感器的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。

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。

二、理论基础

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。

倾角传感器在零输入（倾角传感器的底座位于水平的表面上）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。
（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：

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。

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）

，位置1和位置2的输出相减（V1-V2=2Vφ）即可得到结果：

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，倾角传感器需要旋转180º。经过对各种微电机的比较，选用易于进行控制的步进电机来实现平台的旋转，然后将倾角传感器地安装在此平台上。倾角传感器在两个相反位置上的读数需要用足够位数、和响应速度的A/D转换器进行转换，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。

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）。

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。

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°。

3.误差分析试验

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。

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。

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。

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。

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。

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。

中国电子市场网曹涵推荐

参与讨论

登录后参与讨论

//评论区

推荐阅读

智能网联汽车国际标准法规协调专家组（HEAG）召开工作会议

近年来智能网联汽车快速发展，新技术不断涌现，与相关产业融合度持续提升，正在推动全球汽车产业发生深刻变革。为应对此种形势，欧、美、日等汽车工业发达国家和地区都加大了智能网联汽车的国际标准法规协调的参与力度，在联合国世界车辆法规论坛(UN/WP.29)和国际标准化组织(ISO)层面，智能网联汽车相关国际标准法规协调活动正快速推进。为更有效地支撑上述组织的国际标准法规协调活动，2017年全国汽车标准

0215jiejie | 发布于：2022-12-01 0评论 0赞

苹果推出搭载M2芯片的新款iPad Pro 799美元起售

据苹果官网，苹果推出搭载M2芯片的新款iPadPro。 11英寸wifi版起售价为799美元，wifi+蜂窝网络版起售价为999美元；12.9英寸wifi版起售价为1099美元，wifi+蜂窝网络版起售价为1299美元。

0215jiejie | 发布于：2022-10-19 0评论 0赞

新能源汽车领衔 “中国智造”加速登陆欧洲市场

全球五大车展之一巴黎车展时隔四年再度启幕。在这场被视为“全球汽车行业风向标”的盛会上，国内外汽车品牌云集，长城汽车、比亚迪等再次领衔中国汽车出海。长城汽车欧洲区域总裁孟祥军表示：“欧洲是长城汽车最重要的海外市场之一，巴黎车展是长城汽车向欧洲市场展示GWM品牌和产品的最佳机会。长城汽车正在研究汽车行业碳排放的整个生命周期，到2025年，将推出50多款新能源产品，全力支持可再生能源使用，为全球用户

0215jiejie | 发布于：2022-10-19 0评论 0赞

严监管时代来临，电子烟“通配”大战走向何方？

针对通配烟弹厂商的一系列诉讼的结果，将对生产通配烟弹的品牌未来在电子烟行业的发展产生深远影响。 10月1日，《电子烟强制性国家标准》正式实施，中国电子烟监管全面生效。而在电子烟行业进入规范化、法治化阶段前夕，一场围绕着通配烟弹的争论在行业里发酵。 “通配”是电子烟从业者约定俗成的概念。换弹式电子烟由烟杆和烟弹组成，“通配”烟弹指的是非品牌商生产、可与品牌烟杆匹配使用的烟弹。多位业内人士表示，被

0215jiejie | 发布于：2022-10-19 0评论 0赞

Bourns 全新大功率分流电阻器

采用金属感应引脚，专用于大电流应用中进行精确测量全新分流电阻器专为电池管理系统、大电流工业控制和电动汽车充电站提供高可靠性、高成本效益的解决方案美国柏恩Bourns全球知名电子组件领导制造供货商，宣布新增12款CSM2F系列功率分流电阻器，扩展其产品组合。全新系列采用铆接通孔金属传感引脚，可满足大电流应用中对电压测试点精确定位日益增长的需求。最新型Bourns?CSM2F系列分流电阻器

0215jiejie | 发布于：2022-10-18 0评论 0赞

请尊重元宇宙“这个筐”

元宇宙是个筐，啥都往里装，但区别在于有的像聚宝盆，有的像垃圾桶。国庆假期刚结束，中青宝“90后”董事长李逸伦便亲自上阵，玩起了元宇宙婚礼。靠着老板首秀和代言，中青宝顺势推出“MetaLove元囍”App，正式进军元宇宙婚礼赛道。就产品而言，如同其他元宇宙产品，李逸伦的元宇宙婚礼“新奇与吐槽齐飞”：有人说是有趣的尝试，有人则认为像QQ炫舞结婚系统。要知道，QQ炫舞是一款推出了十余年的老游戏。

0215jiejie | 发布于：2022-10-13 0评论 0赞

边缘计算：突围商业模式痛点

截至8月末，中国5G基站总数达210.2万个，中国5G发展已经进入下半场。随着5G加速融入千行百业，互动直播、vCDN、安防监控等场景率先大规模落地，车联网、云游戏、工业互联网、智慧园区、智慧物流等场景也快速走向成熟，这些更大流量、更低时延、更高性能的场景涌现，对边缘计算的刚性需求势必爆发。 GrandViewResearch预测，即使在新型冠状病毒肺炎疫情肆虐全球的背景下，边缘计算和5G网络市

0215jiejie | 发布于：2022-10-13 0评论 0赞

商务部回应美商务部升级半导体等领域对华出口管制并调整出口管制“未经验证清单”

商务部新闻发言人10日就美商务部升级半导体等领域对华出口管制并调整出口管制“未经验证清单”应询答记者问。有记者问：近日，美国商务部在半导体制造和先进计算等领域对华升级出口管制措施。同时，在将9家中国实体移出“未经验证清单”过程中，又将31家中国实体列入，请问中方对此有何回应？对此，商务部新闻发言人回应称，中方注意到相关情况。首先，通过中美双方前一阶段共同努力，9家中国实体zui终

0215jiejie | 发布于：2022-10-13 0评论 0赞

TCL华星官宣与奔驰合作：推出全球首款横贯A柱的车载显示屏

今年1月，奔驰带来了VISIONEQSS概念车，其中控台采用了一块完全无缝的47.5英寸曲面显示屏，横贯整个A柱，令人印象深刻。今天，TCL华星正式官宣与奔驰达成合作，并认领了VISIONEQSS上这块全球首款横贯整个A柱曲面的车载显示屏。根据TCL介绍，这款显示屏采用了完全无缝的超薄一体化设计，将仪表盘、中控与副驾娱乐显示融为一体，并能够与3D实时导航系统相辅相成。同时，这块显示屏还采用

0215jiejie | 发布于：2022-10-12 0评论 0赞

半导体板块暴跌谁最受伤

国庆假期后首日开盘，上证综指时隔5个月再次失守3000点，与此同时，半导体板块也再度走低，其中，北方华创、雅克科技等个股跌停。10月11日早盘期间，半导体板块持续下挫，北方华创、雅克科技再度跌停。截至下午收盘，北方华创、雅克科技维持跌停状态，华海清科、拓荆科技-U、盛美上海、清溢光电、海光信息的跌幅则超10%。同日，半导体板块中的119只个股中超五成呈现下跌趋势。在半导体板块遭遇下挫的同时，北

0215jiejie | 发布于：2022-10-12 0评论 0赞

unionblog

关注