数字倾角测量仪的设计

数字倾角测量仪是一种测量小角度的量具，用它可测量对于水平位置的倾斜度，两部件相互平行度和垂直度，机床、仪器导轨的直线度，工作台平面度，以及平板的平面度等，具有十分广阔的应用前景。  

设计中的倾角传感器是基于热对流的倾角传感器，该倾角传感器质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以，具有较强的抗振动或冲击能力，是为数不多的能够兼有结构简单、可靠性高、有通用传感器集成电路等优点的倾角传感器之一。本设计通过倾角传感器测量平台的倾角，输出电压信号，经过运放放大后，输出给单片机电路进行数据处理，最后，通过数码管显示倾角的大小，还可用做控制系统输出控制信号调整平台的倾角。  

1 数字倾角测量仪的原理  

倾角测量仪的整体硬件设计原理如图1所示，它由传感器、前置放大电路、A／D转换电路及单片机系统等部分组成。传感器采集加速度信息，经过内部转换后输出电压值，电压值分为两路，一个是测量X轴方向上的加速度；另一个是测量Y轴方向上的加速度。两路电压信号经过低通滤波、运算放大器放大处理后输出放大后的电压给A／D转换模块，A／D转换模块输出8位数字量给单片机进行处理，单片机最后输出串行数据，通过数码管显示电路输出平台的倾斜角度。  


  
2 传感器工作原理  

设计中使用的传感器为MXA2050A，其是位于一单片集成电路CMOS IC上的完整的加速度测量系统。该传感器是基于自然对流而进行热传导的，在MXA2050A中气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以，具有较强的抗振动或冲击能力。它是一个极其低廉的双轴加速度计，因为不带有移动部件，所以器件特别可靠，而且，还可采用基于一个亚微米的CMOS方法生产制造。这种方法可以生产小型尺寸的晶片，所以，这种器件非常低廉且多功能。MXA2050A加速度测量范围是：±10gn，输出量是两路模拟电压信号。允许分辨1 Hz带宽中的低于10 mg。信号，频响可扩展至40Hz。在附带一个简单外部电路的情况下，频响扩展至160Hz。  

热对流加速度计包含一个密闭的腔体，腔体内充有流体，其中，有一个加热元件将把腔体中加热元件周围的流体加热，加热后的流体发生膨胀而密度下降，在重力的作用下上升，周围的相对冷的流体补充到空位置上，这样，反复循环而造成热对流传导。在静止状态下温度曲线是对称的，在有加速度的情况下，由于自然对流热传导，使得任何方向上的加速度会扰乱温度，引起温度的不对称。因此，加速度计中4个热电堆的温度和输出电压是相异的。不同的热电堆输出电压直接正比于加速度。在加速度计上它们具有2个相同的加速度信号通道。一个是测量X轴方向上的加速度；另一个是测量Y轴方向上的加速度，其外围电路如图2所示。  


  
3 运放、A／D转换和显示电路  

在传感器的应用中，高阻抗的前置放大器主要作用有2个：一是将传感器的微弱信号放大；二是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，设计中的前置放大器主要由AD623放大电路组成，电路图如图3所示。  


  
运放AD623同时可以实现减法、加法、放大的功能，传感器输出的信号VX先减去其在水平方向时的零位电压，然后，经过放大G倍，再加上参考电压VREF，最后输出为  


  
通过调节RG1的大小就可以调节放大倍数，参考电压由滑动变阻器分压输出。传感器产生的电压信号首先经过放大器后输出给A／D转换电路。A／D转换采用TLC5510，可以实现由单片机控制转换的速度，输出数字量为8位，可以实现设计的精度要求。  

显示电路主要由移位寄存器、数码管显示两部分组成，单片机处理后的数据转变为串行格式的数据，在时钟信号的作用下，通过移位寄存器实现移位显示。显示电路共采用8个移位寄存器，8个数码管，分别实现x，y方向的4位角度显示，精确可达到0.01°。移位显示电路如图4所示。  


  
4 实验结果与数据处理  

在实验数据处理过程中，测量多组数据，求其算术平均值作为最后测得的结果，因此，必须研究算术平均值的不确定度*定准则。如果在同一条件下，对同一量值作多组重复的系列测量，每一系列测量都有一个算术平均值，由于随机误差的存在，各个测量列的算术平均值也不相同，它们围绕被测量的真值有一定的分散，此分散说明了算术平均值的不确定性，而算术平均值的标准差σ则是表征同一被测量的各个独立测量列算术平均值分散性的参数，可作为算术平均值不确定性的*定标准。已知算术平均值x为  


  
由此可知，在n次测量的等精度测量列中，算术平均值的标准差为单次测量标准差的 ，当测量次数n越大时，算术平均值愈接近被测量的真值，测量精度也越高。增加测量次数可以提高测量精度，但是，由上式也可以看出：测量精度与测量次数的平方根成反比，因此，要显著提高测量精度，必须付出较大劳动。而实践也表明：n>10后，σ-x已经减少的非常缓慢。此外，由于测量次数越大，也越难保证测量条件的恒定，可能引入新的误差，一般情况，取n=10。所以，在实验中，取10次的测量结果的算术平均值作为最后的测量结果。测量后所绘电压倾角关系曲线如图5、图6所示。  




  
5 结论  

为了满足机械制造、设备安装、道路桥梁、建筑工程等行业和出口的市场需求，设计了基于加速度传感器的数字显示倾角测量仪，其分辨力达到0.01°，综合精度达到0.03°，达到国内外同类产品的水平；性价比高。在测绘仪器、建筑机械、天线定位、机器人技术、坦克和舰船火炮平台控制、飞机姿态、汽车电子控制、石油勘探、海上平台监控等方面有广泛应用。