一種對貼差分式高解析度傾角傳感儀的製作方法
2023-06-04 10:35:26 2
一種對貼差分式高解析度傾角傳感儀的製作方法
【專利摘要】一種對貼差分式高解析度傾角傳感儀，包括分別置於電路板正反面的正貼傾角敏感元件和反貼傾角敏感元件，與兩者依次連接的信號差分放大模塊、數據採集模塊，與數據採集模塊連接的液晶顯示模塊和藍牙數據傳輸模塊；利用信號差分放大模塊先分別對兩個傾角傳感器敏感元件輸出的模擬電壓進行放大，作差後的模擬電壓信號經由數據採集模塊A/D轉換後換算成傾角值，通過液晶顯示模塊和藍牙數據傳輸模塊分別顯示和輸出；一方面，信號差分放大模塊有效的提高了單個傾角傳感器敏感元件的解析度；另一方面，兩個對貼式放置的傾角敏感元件敏感方面相反，輸出傾角值也相反，將兩個傾角值作差後，解析度再次提高了一倍；同時兩個傾角敏感元件的溫度漂移方向一致，作差後可以非常有效的抑制溫度漂移，提高了長期穩定性以及測量精度。
【專利說明】一種對貼差分式高解析度傾角傳感儀
【技術領域】
[0001]本發明屬於傾角測量【技術領域】，具體涉及一種對貼差分式高解析度傾角傳感儀。【背景技術】
[0002]在眾多應用領域中，如測量工具機儀器導軌的直線度、高精度設備安裝、機器人運動控制、姿態自適應控制等，常常需要對傾角進行測量。目前傾角測量方法多種多樣，但是角秒量級測量儀器如光學自準直儀、雷射幹涉測角儀和氣泡水平儀等售價昂貴，無法在各個領域得到廣泛應用。隨著傳感器技術、電子技術和計算機技術的快速發展，湧現出一大批全數字式智能傾角傳感器，隨著MEMS技術的快速發展，基於MEMS加速度計的差動式傾角傳感器日益完善，其小型化，性能高，高精度的優勢在科研領域和工業現場得到了廣泛的應用。但是，傾角傳感器在實際運用中存在解析度不高，非線性誤差和溫度漂移的問題，精度受其影響存在測量誤差。
【發明內容】
[0003]為了解決上述現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種對貼差分式高解析度傾角傳感儀，具有非常有效的提高解析度，解決溫漂問題，從而提高精度的優點。
[0004]為達到以上目的，本發明採用如下技術方案:
[0005]一種對貼差分式高解析度傾角傳感儀，包括分別置於電路板正反面的正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3，所述正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3和信號差分放大模塊4的輸入端相連接，所述信號差分放大模塊4的輸出端和數據採集模塊5的輸入端相連接，所述數據採集模塊5的輸出端分別連接液晶顯示模塊6和藍牙數據傳輸模塊7，還包括為整個傳感儀供電的電源供電模塊I ;所述正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3分別敏感各自的重力加速度信號，並將重力加速度信號轉換為兩路模擬電壓信號，傳輸模擬電壓信號給所述的信號差分放大模塊4，所述信號差分放大模塊4分別將正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3輸出的兩路模擬電壓信號進行差分放大分別得到正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3的模擬差分電壓值，所述的信號差分放大模塊4再次將正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3的兩路模擬電壓值作差，並將得到的模擬電壓值傳輸到所述的數據採集模塊5，所述的數據採集模塊5通過A/D採集轉換成數位訊號後，換算成角度值並傳輸到所述液晶顯示模塊6和藍牙數據傳輸模塊7顯示和輸出。換算出的傾角值是敏感於重力加速度的傾角值，是相對於水平面絕對傾角值，在使用過程中，傾角值的變化量是測量重點，在換算出來的傾角值的基礎上減去初始位置的絕對傾角值就得到相對於初始位置的相對傾角值，利於測量與觀察。
[0006]所述正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3為能夠正反使用的基於MEMS加速度計的差動式貼片傾角傳感器。
[0007]所述正貼傾角敏感元件2所放的位置在電路板上面板正貼水平放置，反貼傾角敏感元件3在正貼傾角敏感元件2放置基礎上繞著與敏感方向水平垂直的方向旋轉180°後，放置於電路板下面板反貼，且正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3的位置在一個豎
直平面。
[0008]所述藍牙數據傳輸模塊7從數據採集模塊5獲得角度數位訊號後，將絕對傾角值和相對傾角值的數位訊號發送給用戶的藍牙手機或者其他藍牙接收模塊；同時接收用戶發送的清零指令，將相對傾角值復位為零，絕對傾角值不變。
[0009]與現有技術相比，本發明具有如下優點:
[0010]1、本發明的對貼差分式高解析度傾角傳感儀通過將兩個傾角敏感元件對貼式布置，可以同時測量出同一方向的兩個相反的傾角值，當傾角傳感儀從水平面發生的傾斜的時候，兩個傾角敏感元件輸出的電壓信號一個為正值且持續增大，另外一個輸出為負值且持續減小。將這兩路模擬電壓信號傳輸到信號差分放大模塊。信號差分放大模塊首先對單一傾角敏感元件輸出的模擬電壓值進行放大，提高單一傾角敏感元件的解析度。其次，由於兩個傾角敏感元件輸出模擬電壓相反，信號差分放大模塊將兩個傾角敏感元件差分放大後的模擬電壓值進行作差後得到傾角的雙倍模擬電壓值，因此解析度再次提高一倍，配合高性能的傾角敏感元件如SCA103T-D04，可以將系統的解析度達到3"，精度在1°範圍內優於 ±3"。
[0011]2、本發明的對貼差分式高解析度傾角傳感儀由於兩個傾角敏感元件對貼式放置，兩個傾角敏感元件的溫度漂移方向是一致的。信號差分放大模塊將兩個傾角敏感元件輸出的模擬電壓作差後可以很好的消除掉溫度漂移為主的共模噪聲，省去了溫度補償。
[0012]3、本發明的對貼差分式高解析度傾角傳感儀解析度高，精度高,溫度漂移小,穩定性高，抗幹擾能力強，結構簡單，成本低廉。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的對貼差分式高解析度傾角傳感儀原理示意圖。
[0014]圖2為本發明的對貼差分式高解析度傾角傳感儀的結構組成示意圖。
[0015]圖3為本發明的對貼差分式高解析度傾角傳感儀的解析度數據圖。
[0016]圖4為本發明的對貼差分式高解析度傾角傳感儀的精度數據圖。
【具體實施方式】
[0017]以下結合附圖及具體實施例題，對本發明作進一步的詳細描述。
[0018]如圖1所示，本發明一種對貼差分式高解析度傾角傳感儀，包括分別置於電路板正反面的正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3，所述正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3和信號差分放大模塊4的輸入端相連接，所述信號差分放大模塊4的輸出端和數據採集模塊5的輸入端相連接，所述數據採集模塊5的輸出端分別連接液晶顯示模塊6和藍牙數據傳輸模塊7，還包括為整個傳感儀供電的電源供電模塊I ;所述正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3分別敏感各自的重力加速度信號，並將重力加速度信號轉換為兩路模擬電壓信號，傳輸模擬電壓信號給所述的信號差分放大模塊4，所述信號差分放大模塊4分別將正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3輸出的兩路模擬電壓信號進行差分放大分別得到正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3的模擬差分電壓值，所述的信號差分放大模塊4再次將正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3的兩路模擬電壓值作差，並將得到的模擬電壓值傳輸到所述的數據採集模塊5，所述的數據採集模塊5通過A/D採集轉換成數位訊號後，換算成角度值並傳輸到所述液晶顯示模塊6和藍牙數據傳輸模塊7顯示和輸出；換算出的傾角值是敏感於重力加速度的傾角值，是相對於水平面絕對傾角值，在使用過程中，傾角值的變化量是測量重點，在換算出來的傾角值的基礎上減去初始位置的絕對傾角值就得到相對於初始位置的相對傾角值，利於測量與觀察。本實施例電源供電模塊I包含由兩個12V蓄電池構成的±12V的直流電壓為整個傾角傳感器系統供電，同時將+12V利用兩個串聯的2.5V基準電壓晶片轉換成紋波噪聲很低的+5V直流電壓為所述的正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3供電。
[0019]所述正貼傾角敏感元件2所放的位置在電路板上面板正貼水平放置，反貼傾角敏感元件3在正貼傾角敏感元件2放置基礎上繞著與敏感方向水平垂直的方向旋轉180°後，放置於電路板下面板反貼，且正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3的位置保證在一個豎直平面。
[0020]作為本發明的優選實施方式，所述正貼傾角敏感元件2和反貼傾角敏感元件3為能夠正反使用的基於MEMS加速度計的差動式貼片傾角傳感器。
[0021]作為本發明的優選實施方式，所述藍牙數據傳輸模塊7從數據採集模塊5獲得角度數位訊號後，將絕對傾角值和相對傾角值的數位訊號發送給用戶的藍牙手機或者其他藍牙接收模塊；同時接收用戶發送的清零指令，將相對傾角值復位為零，絕對傾角值不變。
[0022]如圖2所示，為本發明對貼差分式高解析度傾角傳感儀的結構組成示意圖，包括底板11，固定在底板11上的外殼8，置於外殼8內、固定在底板11上的電路板10，電路板10上包含信號差分放大模塊、數據採集模塊、液晶顯示模塊驅動和藍牙數據傳輸模塊，電路板10上固定液晶顯示屏9,其中正貼傾角敏感元件2正貼與電路板10上面板,反貼傾角敏感元件3反貼於電路板10下面板。
[0023]如圖3所示，為本發明對貼差分式高解析度傾角傳感儀的解析度數據圖，其中實線為光學自準直儀3"步距解析度數據。自準直儀解析度為0.05"，精度為0.25"。中空點為對貼差分式高解析度傾角傳感儀3"步距解析度數據。自準直儀數據和傾角傳感器數據是同時測量出來的數據，為了能清晰的顯示，因此將兩組數據在採樣點軸上錯開。從圖中可以看出:當傾角傳感器以3"為步距轉動時，自準直儀和傾角傳感器同時響應當前的角度變化並輸出傾角值。由自準直儀數據可知運動過程是3"為步距的臺階轉動，傾角傳感器數據可以響應出3"為步距的臺階轉動。
[0024]如圖4所示，為本發明對貼差分式高解析度傾角傳感儀的精度數據圖，其中實線為光學自準直儀2000"測量數據(左邊Y軸)，中空點為對貼差分式高解析度傾角傳感儀2000"測量數據(左邊Y軸)，實心方塊為兩者數據殘差(右邊Y軸)。自準直儀數據和傾角傳感器數據是同時測量出來的數據，為了能清晰的顯示，因此將兩組數據在採樣點軸上錯開。從圖中可以看出:當傾角傳感器從O"勻速轉動到2050"，並往返轉動時，自準直儀和傾角傳感器同時響應當前的角度變化並輸出傾角值。由自準直儀數據和傾角傳感器數據可知兩者均能響應當前的傾角值。兩者數據的殘差值在±3"內，表明傾角傳感器的精度優於±3"。
【權利要求】
1.一種對貼差分式高解析度傾角傳感儀，其特徵在於:包括分別置於電路板正反面的正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)，所述正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)和信號差分放大模塊(4)的輸入端相連接，所述信號差分放大模塊(4)的輸出端和數據採集模塊(5)的輸入端相連接，所述數據採集模塊(5)的輸出端分別連接液晶顯示模塊(6)和藍牙數據傳輸模塊(7)，還包括為整個傳感儀供電的電源供電模塊(I);所述正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)分別敏感各自的重力加速度信號，並將重力加速度信號轉換為兩路模擬電壓信號，傳輸模擬電壓信號給所述的信號差分放大模塊(4)，所述信號差分放大模塊(4)分別將正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)輸出的兩路模擬電壓信號進行差分放大分別得到正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)的模擬差分電壓值，所述的信號差分放大模塊(4)再次將正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)的兩路模擬電壓值作差，並將得到的模擬電壓值傳輸到所述的數據採集模塊(5)，所述的數據採集模塊(5)通過A/D採集轉換成數位訊號後，換算成傾角值並傳輸到所述液晶顯示模塊(6)和藍牙數據傳輸模塊(7)顯示和輸出。
2.根據權利要求1所述的一種對貼差分式高解析度傾角傳感儀,其特徵在於:所述正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)為能夠正反使用的基於MEMS加速度計的差動式貼片傾角傳感器。
3.根據權利要求1所述的一種對貼差分式高解析度傾角傳感儀,其特徵在於:所述正貼傾角敏感元件(2)所放的位置在電路板上面板正貼水平放置，反貼傾角敏感元件(3)在正貼傾角敏感元件(2)放置基礎上繞著與敏感方向水平垂直的方向旋轉180°後，放置於電路板下面板反貼，且正貼傾角敏感元件(2)和反貼傾角敏感元件(3)的位置在一個豎直平面。
4.根據權利要求1所述的一種對貼差分式高解析度傾角傳感儀,其特徵在於:所述藍牙數據傳輸模塊(7)從數據採集模塊(5)獲得角度數位訊號後，將絕對傾角值和相對傾角值的數位訊號發送給用戶的藍牙手機或者其他藍牙接收模塊；同時接收用戶發送的清零指令，將相對傾角值復位為零，絕對傾角值不變。
【文檔編號】G01C9/00GK103697860SQ201310685230
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月13日 優先權日:2013年12月13日
【發明者】趙世傑, 李巖, 章恩耀, 尉昊贇 申請人:清華大學