基于加速度計的數字顯示傾角測量?jì)x

　　0 引 言

　　數字傾角測量?jì)x是一種測量小角度的量具，用它可測量對于水平位置的傾斜度，兩部件相互平行度和垂直度，機床、儀器導軌的直線(xiàn)度，工作臺平面度，以及平板的平面度等，具有十分廣闊的應用前景。

　　設計中的傾角傳感器是基于熱對流的傾角傳感器，該傾角傳感器質(zhì)量較小，在大沖擊或高過(guò)載時(shí)產(chǎn)生的慣性力也很小，所以，具有較強的抗振動(dòng)或沖擊能力，是為數不多的能夠兼有結構簡(jiǎn)單、可靠性高、有通用傳感器集成電路等優(yōu)點(diǎn)的傾角傳感器之一。本設計通過(guò)傾角傳感器測量平臺的傾角，輸出電壓信號，經(jīng)過(guò)運放放大后，輸出給單片機電路進(jìn)行數據處理，最后，通過(guò)數碼管顯示傾角的大小，還可用做控制系統輸出控制信號調整平臺的傾角。

        
 
　　1 數字傾角測量?jì)x的原理

　　傾角測量?jì)x的整體硬件設計原理如圖1所示，它由傳感器、前置放大電路、A／D轉換電路及單片機系統等部分組成。傳感器采集加速度信息，經(jīng)過(guò)內部轉換后輸出電壓值，電壓值分為兩路，一個(gè)是測量X軸方向上的加速度；另一個(gè)是測量Y軸方向上的加速度。兩路電壓信號經(jīng)過(guò)低通濾波、運算放大器放大處理后輸出放大后的電壓給A／D轉換模塊，A／D轉換模塊輸出8位數字量給單片機進(jìn)行處理，單片機最后輸出串行數據，通過(guò)數碼管顯示電路輸出平臺的傾斜角度。

　　2 傳感器工作原理

　　設計中使用的傳感器為MXA2050A，其是位于一單片集成電路CMOS IC上的完整的加速度測量系統。該傳感器是基于自然對流而進(jìn)行熱傳導的，在MXA2050A中氣體是密封腔體內的唯一運動(dòng)體，它的質(zhì)量較小，在大沖擊或高過(guò)載時(shí)產(chǎn)生的慣性力也很小，所以，具有較強的抗振動(dòng)或沖擊能力。它是一個(gè)極其低廉的雙軸加速度計，因為不帶有移動(dòng)部件，所以器件特別可靠，而且，還可采用基于一個(gè)亞微米的CMOS方法生產(chǎn)制造。這種方法可以生產(chǎn)小型尺寸的晶片，所以，這種器件非常低廉且多功能。MXA2050A加速度測量范圍是：±10gn，輸出量是兩路模擬電壓信號。允許分辨1 Hz帶寬中的低于10 mg。信號，頻響可擴展至40Hz。在附帶一個(gè)簡(jiǎn)單外部電路的情況下，頻響擴展至160Hz。

　　熱對流加速度計包含一個(gè)密閉的腔體，腔體內充有流體，其中，有一個(gè)加熱元件將把腔體中加熱元件周?chē)牧黧w加熱，加熱后的流體發(fā)生膨脹而密度下降，在重力的作用下上升，周?chē)南鄬涞牧黧w補充到空位置上，這樣，反復循環(huán)而造成熱對流傳導。在靜止狀態(tài)下溫度曲線(xiàn)是對稱(chēng)的，在有加速度的情況下，由于自然對流熱傳導，使得任何方向上的加速度會(huì )擾亂溫度，引起溫度的不對稱(chēng)。因此，加速度計中4個(gè)熱電堆的溫度和輸出電壓是相異的。不同的熱電堆輸出電壓直接正比于加速度。在加速度計上它們具有2個(gè)相同的加速度信號通道。一個(gè)是測量X軸方向上的加速度；另一個(gè)是測量Y軸方向上的加速度，其外圍電路如圖2所示。

         
 
　　3 運放、A／D轉換和顯示電路

　　在傳感器的應用中，高阻抗的前置放大器主要作用有2個(gè)：一是將傳感器的微弱信號放大；二是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出，設計中的前置放大器主要由AD623放大電路組成，電路圖如圖3所示。

        
 
　　運放AD623同時(shí)可以實(shí)現減法、加法、放大的功能，傳感器輸出的信號VX先減去其在水平方向時(shí)的零位電壓，然后，經(jīng)過(guò)放大G倍，再加上參考電壓VREF，最后輸出為
 
　　通過(guò)調節RG1的大小就可以調節放大倍數，參考電壓由滑動(dòng)變阻器分壓輸出。傳感器產(chǎn)生的電壓信號首先經(jīng)過(guò)放大器后輸出給A／D轉換電路。A／D轉換采用TLC5510，可以實(shí)現由單片機控制轉換的速度，輸出數字量為8位，可以實(shí)現設計的精度要求。

　　顯示電路主要由移位寄存器、數碼管顯示兩部分組成，單片機處理后的數據轉變?yōu)榇懈袷降臄祿?，在時(shí)鐘信號的作用下，通過(guò)移位寄存器實(shí)現移位顯示。顯示電路共采用8個(gè)移位寄存器，8個(gè)數碼管，分別實(shí)現x，y方向的4位角度顯示，精確可達到0.01°。移位顯示電路如圖4所示。

        
 
　　4 實(shí)驗結果與數據處理

　　在實(shí)驗數據處理過(guò)程中，測量多組數據，求其算術(shù)平均值作為最后測得的結果，因此，必須研究算術(shù)平均值的不確定度評定準則。如果在同一條件下，對同一量值作多組重復的系列測量，每一系列測量都有一個(gè)算術(shù)平均值，由于隨機誤差的存在，各個(gè)測量列的算術(shù)平均值也不相同，它們圍繞被測量的真值有一定的分散，此分散說(shuō)明了算術(shù)平均值的不確定性，而算術(shù)平均值的標準差σ則是表征同一被測量的各個(gè)獨立測量列算術(shù)平均值分散性的參數，可作為算術(shù)平均值不確定性的評定標準。已知算術(shù)平均值x為

　　由此可知，在n次測量的等精度測量列中，算術(shù)平均值的標準差為單次測量標準差的 ，當測量次數n越大時(shí)，算術(shù)平均值愈接近被測量的真值，測量精度也越高。增加測量次數可以提高測量精度，但是，由上式也可以看出：測量精度與測量次數的平方根成反比，因此，要顯著(zhù)提高測量精度，必須付出較大勞動(dòng)。而實(shí)踐也表明：n>10后，σ-x已經(jīng)減少的非常緩慢。此外，由于測量次數越大，也越難保證測量條件的恒定，可能引入新的誤差，一般情況，取n=10。所以，在實(shí)驗中，取10次的測量結果的算術(shù)平均值作為最后的測量結果。測量后所繪電壓傾角關(guān)系曲線(xiàn)如圖5、圖6所示。

　　5 結論

　　為了滿(mǎn)足機械制造、設備安裝、道路橋梁、建筑工程等行業(yè)和出口的市場(chǎng)需求，設計了基于加速度傳感器的數字顯示傾角測量?jì)x，其分辨力達到0.01°，綜合精度達到0.03°，達到國內外同類(lèi)產(chǎn)品的水平；性?xún)r(jià)比高。在測繪儀器、建筑機械、天線(xiàn)定位、機器人技術(shù)、坦克和艦船火炮平臺控制、飛機姿態(tài)、汽車(chē)電子控制、石油勘探、海上平臺監控等方面有廣泛應用。