一種電子傾角傳感器的溫度補償方法及裝置的製作方法

2023-10-29 07:50:17

專利名稱：一種電子傾角傳感器的溫度補償方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電子傾角傳感器溫度補償方法和裝置，尤其是一種對力平衡式伺服傾角傳感器進行溫度補償的方法和裝置。
背景技術：
電子傾角傳感器廣泛應用於軍事武器系統、航天、艦艇、輪船、海上採油平臺、橋梁、高層建築等領域的傾斜角測量中。從工作原理上來分，可分為「固體擺」式、「液體擺」式、「氣體擺」式三種。目前國外電子傾角傳感器的解析度很高，力平衡式伺服系統傾角傳感器的解析度為0.2″，液體擺式傾角傳感器的解析度達到0.02″；國內研製的電子傾角傳感器解析度比國外同類產品要低得多。其中，力平衡式伺服系統傾角傳感器的解析度為60″，液體擺式傾角傳感器的解析度為2″，氣體擺式傾角器解析度為36″。由於氣體的運動控制較為複雜，且影響運動的因素較多，高精度氣體擺式傾角器還處於實驗研究階段，液體擺式傾角傳感器雖然有較高的解析度，但存在線性度和重複性差的缺陷，無法滿足軍用武器系統應用的要求。
力平衡式伺服電子傾角傳感器具有線性度高(可達到萬分之5)、重複性好、遲滯小、溫度漂移線性度好，工作溫度範圍寬、抗衝擊能力強、抗震動性能好等諸多優點。它由非接觸位移傳感器、力矩馬達、誤差和放大電路、反饋電路、懸臂質量塊等五部分組成。其中懸臂質量塊與力矩馬達的電樞連接在一起，非接觸位移傳感器用於檢測質量塊的位移。力平衡式伺服電子傾角傳感器的工作原理是當電子傾角傳感器發生傾斜θ角度時，懸臂質量塊m便離開原來的平衡位置而產生力矩T＝mgl sinθ(l是質量塊的等效懸臂長度，g是重力加速度)，非接觸位移傳感器檢測出該變化後，將位置信號送入誤差和放大電路，一方面傳感器輸出與傾角成一定比例的電流i；另一方面，該信號經反饋電路送入力矩馬達的線圈，此時，力矩馬達會產生一個與懸臂質量塊運動方向相反、大小相等的力矩Toc，力圖使懸臂質量塊回到原來的平衡位置，該力矩跟力矩T相平衡，直到敏感質量塊m再次恢復到平衡位置，即在平衡狀態下Toc＝T。這時，傳感器輸出的信號才是真正有效信號。
由於非接觸位移傳感器、懸臂質量塊等部件的特性隨著溫度的變化而變化。因此電子傾角傳感器的輸出受到環境溫度的影響，會出現溫度漂移現象，如果不對其進行溫度補償，就無法滿足軍事和航天領域在寬工作溫度範圍(-40℃～+85℃)水平傾斜角測量的精度要求。傳統的溫度補償措施是增加熱敏元件，通過在橋路中串接熱敏元件來感應溫度的變化，要求熱敏元件的溫度變化係數與電子傾角器的溫度變化係數成比例，且熱敏元件存在精度低、線性度和重複性差等缺點，給元器件選型及電子線路設計帶來困難。

發明內容
本發明為解決力平衡式伺服系統電子傾角傳感器的溫度漂移問題，而提出一種力平衡式伺服系統傾角傳感器的溫度補償方法及裝置。
本發明的技術解決方案是一種電子傾角傳感器溫度補償方法，其特殊之處在於該方法包括以下步驟1)將電子傾角傳感器輸出的與傾斜角正弦成比例的模擬信號濾除高頻噪聲後，轉換成數位訊號AD；2)實時測量電子傾角傳感器周圍的環境溫度，得到溫度變化量ΔT；3)根據溫度補償計算公式AD=K_AD*B0+K_AD*B_Temp*T+K_AD*S.F.[1+S.F._Temp*T]*3600*180*Tilt]]>計算得出補償後的傾斜角Tilt，其中，AD表示A/D轉換器輸出的數據；K_AD表示AD轉換器的輸出斜率，單位1/伏；B0表示基準零偏電壓，單位伏；B_temp表示零點偏差係數，單位伏/℃；ΔT表示溫度變化量，單位℃；S.F._Temp表示比例因子的溫度變化係數；一種實現上述電子傾角傳感器溫度補償方法的溫度補償裝置，其特殊之處在於該裝置包括電子傾角傳感器101、濾波器102、A/D轉換器103、單片機105、溫度傳感器106和電源107，電子傾角傳感器101輸出的模擬電壓信號經過濾波器102波器後，送入到A/D轉換器103，將其轉換成數字角度信息，然後通過I2C總線送入單片機105，溫度傳感器106實時測量電子傾角傳感器101周圍的環境溫度，通過I2C總線送入單片機105，電源107給整個溫度補償裝置供電。
上述裝置還包括有輸出電路106，單片機105計算出溫度補償後的數字傾斜角通過輸出電路106輸出。
上述電子傾角傳感器101採用LCF-100或LCF_160/165型電子傾角器。
上述濾波器102採用OPT27、OPT37或MXL1007型二階濾波器。
上述A/D轉換器103採用ADS1210、AD667、AD7663或AD7665型A/D轉換器。
上述單片機105採用AT89C52、AT89C51或AT89C55型單片機。
上述溫度傳感器104採用DS1624、DS6129或DS1631型溫度傳感器。
本發明的溫度補償原理為電子傾角器輸出的模擬電壓V與傾斜角度θ的正弦近似成線性關係，在環境溫度為20℃、傾斜角為0°時，電子傾角器的輸出含有零點偏差V0；隨著溫度的變化，傾斜角-輸出電壓曲線將上下平移，其平移量為ΔV＝K*t(1)其中K為零點偏差係數，單位V/℃；t為環境溫度，單位℃；ΔV為零點偏差值，單位伏。因此電子傾角器輸出的模擬電壓隨溫度變化的理想方程為V＝V0+ΔV+K0*sin(θ)＝V0+K*t+K0*sin(θ) (2)其中K0是電子傾角器的轉換比例因子。
由於電子傾角器的測量範圍為±1°，可以用弧度值替代角度的正弦值，其計算誤差為 此值可以忽略不計。則公式(2)簡化為V＝V0+K*t+K0*θ (3)從公式(3)可以看出，傾斜角度θ是隨環境溫度線性變化的函數，因此為了使電子傾斜角測量裝置滿足在寬工作溫度範圍內的測角精度，必須對傾角器輸出的電壓進行溫度補償，其原理就是利用公式(3)消除K*t項。具體補償方法是單片機AT89C52通過P1口實時採集環境溫度和傾角器輸出電壓，根據已知的零點溫度係數計算出ΔV，消除由於溫度變化引起的偏差，計算出修正後的傾斜角度值。
電子傾斜角器溫度補償計算公式為output＝Bias+S.F.*sin(Tilt+Alig) (4)公式(4)中output、Bias分別表示傾角器的輸出電壓和零偏電壓，單位伏；Tilt，Alig分別表示測量角度和修正角度，單位弧度；S.F.表示轉換比例因子。
考慮溫度係數並統一單位，公式(4)變為ADK_AD=B0+B_Temp*T+S.F.[1+S.F._Temp*T]*3600*180*Tilt---(5)]]>公式(5)中AD表示A/D轉換器輸出的數據；K_AD表示AD轉換器的輸出斜率，單位1/伏；B0表示基準零偏電壓，單位伏；B_temp表示零點偏差係數，單位伏/℃；ΔT表示溫度變化量，單位℃；S.F._Temp表示比例因子的溫度變化係數；這裡先假設公式(4)中Alig＝0°，則公式(5)變為AD=K_AD*B0+K_AD*B_Temp*T+K_AD*S.F.[1+S.F._Temp*T]*3600*180*Tilt]]>令O0＝K_AD*B0(6)OT＝K_AD*B_Temp*ΔT (7)KT=K_AD*[S.F.+S.F._Temp*T*S.F.]*3600*180---(8)]]>則計算公式變為AD＝O0+OT+KT*Tilt (9)綜上所述，只要分別計算出O0，OT和KT，然後根據公式(9)即可計算出修正後的傾斜角度值Tilt。因此，利用基於此原理的本發明的方法，可得到補償溫度後的傾斜角度值Tilt，也就是說可得到消除溫度漂移影響後準確的傾斜角度值Tilt，同時應用本發明的方法得出的溫度補償裝置，具有測量精度和穩定性高、線性度和重複性好等優點，通過T3經緯儀在-40℃-+85℃溫度範圍的測量精度可以達到3″，其適用各種力平衡式伺服系統電子傾角傳感器的溫度補償，其溫度補償參數可通過串口中斷方式修改，因此本發明可以廣泛應用於高精度傾斜角測量系統。
四

圖1本發明裝置的結構示意圖；圖2為本發明較佳實施例的程序流程圖。
五具體實施例方式
本發明的方法包括以下步驟1)將電子傾角傳感器輸出的與傾斜角正弦成比例的模擬信號濾除高頻噪聲後，轉換成數位訊號AD；2)實時測量電子傾角傳感器周圍的環境溫度，得到溫度變化量ΔT；3)根據溫度補償計算公式AD=K_AD*B0+K_AD*B_Temp*T+K_AD*S.F.[1+S.F._Temp*T]*3600*180*Tilt]]>計算得出補償後的傾斜角Tilt，其中，AD表示A/D轉換器輸出的數據；K_AD表示AD轉換器的輸出斜率，單位1/伏；B0表示基準零偏電壓，單位伏；B_temp表示零點偏差係數，單位伏/℃；ΔT表示溫度變化量，單位℃；S.F._Temp表示比例因子的溫度變化係數，該公式中，除AD、ΔT、Tilt外，其他均為常量。
參見圖1，本發明的裝置包括電子傾角傳感器101、濾波器102、A/D轉換器103、單片機105、溫度傳感器106和電源107，由於電子傾角器傳感器101輸出的模擬電壓含有高次諧波，因此其輸出的模擬電壓信號通過濾波器102濾除輸出信號的高頻分量後，送入到A/D轉換器103，將其轉換成數字角度信息，然後通過I2C總線送入單片機105，溫度傳感器106實時測量電子傾角傳感器101周圍的環境溫度，通過I2C總線送入單片機105，電源107給整個溫度補償裝置供電，本發明的裝置還可包括有輸出電路106，單片機105計算出溫度補償後的數字傾斜角通過輸出電路106輸出。
其中電子傾角傳感器101採用LCF-100或LCF_160/165型電子傾角器。
濾波器102採用OPT27、OPT37或MXL1007型二階濾波器。
A/D轉換器103採用ADS1210、AD667、AD7663或AD7665型A/D轉換器。
單片機105採用AT89C52、AT89C51或AT89C55型單片機。
溫度傳感器104採用DS1624、DS6129或DS1631型溫度傳感器。
下面結合較佳實施例對本發明做進一步的詳述電子傾角傳感器101選用Jewell instruments公司生產的LCF-100型電子傾角器，它屬於力平衡式伺服系統電子傾角器，測量範圍±1°，其輸出為模擬電壓，與傾斜角度的正弦成正比。該傾角器具有分辯率高、響應速度快、線性度好等特點。LCF-100型電子傾角器輸出的模擬電壓含有高次諧波，因此其輸出的模擬電壓信號通過OPT27型二階濾波器濾除輸出信號的高頻分量後，送入到A/D轉換器103，A/D轉換器103採用Burr-Brown公司的ADS1210P型A/D轉換器，它是一種24位分辯率、寬動態範圍、單5V供電、帶自校正功能的∑-Δ高精度A/D轉換器，其內部由可編程增益放大器，二階∑-Δ調製器，調製器控制單元，三階數字濾波器，微控制器，寄存器組，基準參考源和時鐘電路等組成。ADS1210P型A/D轉換器將轉換的數字量通過I2C總線傳送到單片機105。單片機105選用Atmel公司的AT89C52型單片機，它是一種帶8K字節快閃記憶體的高性能微處理器，與Intel公司的80C52完全兼容。溫度傳感器104選用Dallas Semiconductor公司的DS1624型數字溫度傳感器，它具有測量精度高，測量溫度範圍寬，易與單片機接口等特點，其內部還帶有256位元組的E2ROM，用於存貯測量系統的修正參數。DS1624型數字溫度傳感器實時採集LCF-100型電子傾角器的周圍環境溫度，將採集的溫度值通過I2C總線送入AT89C52型單片機。AT89C52型單片機是本發明裝置的核心，利用其靈活的P1口與ADS1210P型A/D轉換器、DS1624型數字溫度傳感器構成I2C總線對LCF-100型電子傾角器的傾斜角和環境溫度進行實時採集，並根據溫度補償公式對採集的數據進行計算處理，把計算結果以串口中斷方式通過RS-422接口傳送到上位機。
參見圖2，本發明較佳實施例的具體程序如下步驟201初始化DS1624。單片機AT89C52通過P0口向DS1624寫初始化命令字。
步驟202初始化ADS1210P。單片機AT89C52通過P0口向ADS1210寫初始化命令字。
步驟203從EEROM中讀取數據，在設計中，已將電子傾角傳感器溫度補償的相關參數存放在DS1624的EEROM中，如固定零偏差，零偏的溫度係數，比例因子，比例因子的溫度係數，A/D的轉換比例，A/D轉換器的Turbo設置，在每次加電啟動時，單片機AT89C52都要通過I2C總線從DS1624的EEROM中將這些參數讀到RAM中，以便後面的程序使用。
步驟204計算固定零偏差，根據公式O0＝K_AD*B0(6)，計算出O0。
步驟205採集溫度，讀取DS1624採集到的實時溫度，並將其存放在RAM相應的存儲空間中。
步驟206計算與溫度有關的係數，根據公式OT＝K_AD*B_Temp*ΔT(7)和KT=K_AD*[S.F.+S.F._Temp*T*S.F.]*3600*180]]>(8)計算出OT和KT。
步驟207採集LCF-100的數據，單片機AT89C52讀取ADS1210P轉換後的數據，將其存放在RAM中響應的單元中。
步驟208計算結果，根據公式AD＝O0+OT+KT*Tilt (9)計算出補償後的傾斜角。
步驟209判斷是否採集計算了10次數據，為了提高精度，每次都計算10次數據，再做平滑。如果已經採集計算出了10次數據，則轉到步驟205；如果還未採集10次數據，則轉步驟207繼續採集傾角器的數據，再計算結果。
權利要求
1.一種電子傾角傳感器溫度補償方法，其特徵在於該方法包括以下步驟1)將電子傾角傳感器輸出的與傾斜角正弦成比例的模擬信號濾除高頻噪聲後，轉換成數位訊號AD；2)實時測量電子傾角傳感器周圍的環境溫度，得到溫度變化量ΔT；3)根據溫度補償計算公式AD=K_AD*B0+K_AD*B_Temp*T+K_AD*S.F.[1+S.F._Temp*T]*3600*180*Tilt]]>計算得出補償後的傾斜角Tilt.其中，AD表示A/D轉換器輸出的數據；K_AD表示AD轉換器的輸出斜率，單位1/伏；B0表示基準零偏電壓，單位伏；B_temp表示零點偏差係數，單位伏/℃；ΔT表示溫度變化量，單位℃；S.F._Temp表示比例因子的溫度變化係數。
2.一種實現權利要求1的電子傾角傳感器溫度補償方法的溫度補償裝置，其特徵在於該裝置包括電子傾角傳感器(101)、濾波器(102)、A/D轉換器(103)、單片機(105)、溫度傳感器(106)和電源(107)，所述電子傾角傳感器(101)輸出的模擬電壓信號經過濾波器(102)波器後，送入到A/D轉換器(103)，將其轉換成數字角度信息，然後通過I2C總線送入單片機(105)，溫度傳感器(106)實時測量電子傾角傳感器(101)周圍的環境溫度，通過I2C總線送入單片機(105)，電源(107)給整個溫度補償裝置供電。
3.根據權利要求2所述的電子傾角傳感器的溫度補償裝置，其特徵在於該裝置還包括有輸出電路(106)，單片機(105)計算出溫度補償後的數字傾斜角通過輸出電路(106)輸出。
4.根據權利要求2所述的電子傾角傳感器的溫度補償裝置，其特徵在於所述電子傾角傳感器(101)採用LCF-100或LCF_160/165型電子傾角器。
5.根據權利要求2所述的電子傾角傳感器的溫度補償裝置，其特徵在於所述濾波器(102)採用OPT27、OPT37或MXL1007型二階濾波器。
6.根據權利要求2所述的電子傾角傳感器的溫度補償裝置，其特徵在於所述A/D轉換器(103)採用ADS1210、AD667、AD7663或AD7665型A/D轉換器。
7.根據權利要求2所述的電子傾角傳感器的溫度補償裝置，其特徵在於所述單片機(105)採用AT89C52、AT89C51或AT89C55型單片機。
8.根據權利要求2所述的電子傾角傳感器的溫度補償裝置，其特徵在於所述溫度傳感器(104)採用DS1624、DS6129或DS1631型溫度傳感器。
全文摘要
本發明涉及一種電子傾角傳感器溫度補償方法。解決方案包括以下步驟1)將電子傾角傳感器輸出的與傾斜角正弦成比例的模擬信號濾除高頻噪聲後，轉換成數位訊號AD；2)實時測量電子傾角傳感器周圍的環境溫度，得到溫度變化量ΔT；3)根據溫度補償計算公式AD=K_AD*B
文檔編號G01C9/02GK1908582SQ20051004304
公開日2007年2月7日 申請日期2005年8月2日 優先權日2005年8月2日
發明者胡曉東, 邱仁峰 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所