高精度双轴倾角检测装置的设计与实现_刘爱华

第28卷第5期2013年10月北京信息科技大学学报Journal of Beijing Information Science and Technology UniversityVol．28No．5Oct．2013文章编号:1674－6864(2013)05－0051－05高精度双轴倾角检测装置的设计与实现刘爱华，李邓化，董必政（北京信息科技大学自动化学院，北京100192）摘要:针对倾角检测装置高精度、数字量输出、小型化的应用需求，提出了基于芬兰VTI 双轴倾角传感器SCA100T-D02的系统方案，分析了对于安装误差进行修正的方法。

设计并制作了采用RS232接口输出、尺寸为5x 5cm 的硬件电路;编写了上位机数据采集软件。

实验结果表明，所设计的倾角检测装置精度可达0.01ʎ，系统稳定，数字信号传输完整，可实时采集载体倾斜信息。

关键词：倾角检测；高精度；RS232；实时采集中图分类号：TP 212文献标志码：A Design and implementation of high accuracydual-axis inclination detection deviceLIU Ai-hua ，LI Deng-hua ，DONG Bi-zheng（School of Automation ，Beijing Information Science and Technology University ，Beijing 100192，China ）Abstract ：To meet the requirements of high accuracy ，digital output ，miniaturization in inclination detection device ，a system solution based on Finland VTI dual-axis inclinometer sensors SCA100T-D02is proposed ，and the correcting method of installation error is analyzed in details．The full size of the designed hardware using RS232for data output is only 5x 5cm．The software is developed to acquire data．The experiment results show that the accuracy of designed inclination device reaches 0.01ʎ，and the device is stable with complete digital signal transmission ，being able to acquire the tilt information of carrier in real time．Key words ：inclination detection ；high accuracy ；RS232；real time acquisition收稿日期：2013-06-20基金项目：北京市自然科学基金资助项目（4122028）；北京市重点学科建设项目（PXM2013014224000027）作者简介：刘爱华（1989—），男，河北衡水人，硕士研究生，主要从事检测技术与自动化装置的研究。

0引言在地质石油勘探、设备安装、道路桥梁建设等工程应用以及机器人控制、坦克和舰船火炮平台控制、飞机姿态控制等系统的自动水平调节中，都需要高精度的倾角测量装置［1］。

但是高精度的倾角测量设备通常体积较大、成本高，使许多工程应用受到限制。

目前，国内外许多学者从信号调理、数字滤波、温度补偿等方面采取措施提高测量精度，但是很少考虑电路焊接过程中由于安装误差所造成的影响；虽然采用分段线性化方法标定后的输出具有较高的精度［2－4］，但是复杂的数字处理需要具有较高运算能力的控制器，导致倾角检测装置成本高，标定过程繁琐。

本文分析了安装误差对倾角检测装置的影响，给出了修正方案，并在倾角检测装置中加入修正方案进行了实际验证。

倾角检测装置的测试在北京信息科技大学检测技术与自动化装置实验室进行，采用精度为5ᵡ的数字三轴转台进行倾角给定。

1倾角传感器的工作原理倾角传感器根据牛顿第二定律来测量敏感轴相与水平面的倾角变化量，通过检测重力加速度在倾角传感器敏感轴上的分量，经换算得到敏感轴方向与水平面的夹角［2－4］。

芬兰VTI 公司推出的SCA100T-D02，是采用三维MEMS 技术开发的一款高精度双轴倾角传感器，北京信息科技大学学报第28卷有效测量范围为ʃ90ʎ，具有SPI 数字输出和模拟量（电压）输出2种形式，其中采用模拟量输出时精度可达0.0035ʎ［5］。

SCA100T-D02模拟量输出与倾角的对应关系式［5］为α=arcsinV out －V offsetS ()sensitivity（1）式中，α为敏感轴与水平面的夹角；V offset 为零偏，即对应α=0ʎ时输出的电压值，2．5V ；S sensitivity 是芯片灵敏度，2V /g ；V out 是芯片输出的模拟量电压，对应α在－90ʎ 90ʎ变化，V out 的变化范围为0．5V 4．5V 。

2理论分析及误差修正方案2.1理论分析如图1所示，假定载体X 轴和Y 轴与水平面的夹角为α和β，则重力加速度g 在载体X 轴和Y 轴方向的加速度分量分别为A X =g sin αA Y =g sin }β（2）因此载体轴倾角为α=arcsin （A X /g ）β=arcsin （A Y /g }）（3）图1载体倾斜姿态图实际上，由于焊接过程中的偏差，倾角传感器的敏感轴与载体轴并非严格平行，而是存在一定夹角，如图2所示。

载体坐标系OXY 与倾角传感器敏感轴坐标系OX S Y S 在同一平面，但是存在大小为θ的旋转角。

OXY 与OX S Y S 之间的方向余弦矩阵为C OX S Y SOXY=cos θsin θ－sin θcos []θ（4）由于大小为θ的安装误差，倾角传感器检测到的在敏感轴方向的实际加速度分量为A X S A Y ()S =C OX S Y SOXYA XA ()Y=g sin αcos θ+g sin βsin θ－g sin αsin θ+g sin βcos ()θ（5）图2倾角传感器安装误差对比式（2）和式（5）可见，由于安装误差角影响，在式（5）的输出结果中原本独立的X 轴输出与Y 轴输出产生了耦合。

2.2仿真结果图3和图4给出了在安装误差θ=1．5ʎ的情况下，不同倾角给定值下，倾角传感器X 轴和Y 轴的测量误差。

仿真分析中，X 轴给定值α固定为0ʎ、15ʎ、30ʎ、45ʎ、60ʎ、75ʎ、90ʎ，对应Y 轴给定值β在（α－90ʎ） （90ʎ－α）的范围内变化。

图3不同给定值时X 轴测量误差（对应θ=1．5ʎ）图4不同给定值时Y 轴测量误差（对应θ=1．5ʎ）由图3和图4可见，X 轴和Y 轴的测量误差范围为－θ θ。

2.3修正方案根据式（5）知，可以采用式（6）对倾角传感器的X 轴和Y 轴敏感到的重力加速度分量进行解耦，然25第5期刘爱华等：高精度双轴倾角检测装置的设计与实现后再采用式（3）解算得到载体的倾角值。

A X A ()Y =cos θsin θ－sin θcos []θ－1A X SA Y ()S=cos θ－sin θsin θcos []θA X S A Y ()S（6）3系统硬件设计倾角检测模块框图如图5所示。

双轴倾角传感器SCA100T-D02为敏感元件，输出电压经模数转换后送至微处理器ATmega16进行解算和补偿，采用电平转换芯片MAX232将单片机输出的TTL 电平的USART 信号转换为RS232信号输出，以满足工业应用的需要。

图5倾角检测模块框图3.1倾角检测电路图6为基于SCA100T-D02倾角传感器的倾角检测电路。

MOSI 、MISO 、SCK 为SPI 通信接口，CSB 为片选端，低电平有效，由微处理器ATmega16控制选通。

Axis_X 和Axis_Y 分别为X 轴和Y 轴对应的模拟量电压经RC 滤波后输出。

图6倾角检测电路3.2模数转换电路如图7所示的模数转换电路采用具有20位分辨率、转换速率为120次/s 、可连续自校准的精密串行AD 转换器ADS1222。

ADS1222的工作时钟由外置有源晶振提供，采用稳压二极管LM4030－2.5为ADS1222提供2.5V 的模拟参考电压。

图7模数转换电路4系统软件设计系统软件设计分为下位机程序和上位机程序2部分。

4.1下位机程序下位机程序，主要包括主程序、AD 转换数据读取子程序、倾角解算子程序、通讯接口子程序等。

下位机程序流程如图8所示。

图8下位机程序流程微处理器通过两线串行通信方式读取ADS1222转换后的数据，按照公式（6）进行安装误差修正，计算出载体轴的倾角值。

根据ADS1222的操作时序［6］，微控制器读取35北京信息科技大学学报第28卷ADS1222数据函数程序如下：unsigned long ADS1222_read（void）｛unsigned char i=0；unsigned long data=0；while（ADS1222_DOUT）｛；｝for（i=24；i＞0；i--｛ADS1222_SCLK=0；∥给脉冲信号data =1；∥数据左移一位delay_nus（1）；ADS1222_SCLK=1；∥给脉冲信号delay_nus（1）；if（ADS1222_DOUT）∥为1data|=0x01；∥读出数据delay_nus（2）；∥延时｝return data；｝函数返回AD输出值（0 223）。

按照公式（6）进行安装误差修正函数的程序为void Get_XY（unsigned long datx，daty）｛float tempx，tempy=0；tempx=datx/1.0/（128*65536－1.0）*5.0；tempx=（tempx－2.5）/2.0；tempx=（tempx＞1？1.0：tempx）；tempx=（tempx＜－1？－1.0：tempx）；tempy=daty/1.0/（128*65536－1.0）*5.0；tempy=（tempy－2.5）/2.0；tempy=（tempx＞1？1.0：tempy）；tempy=（tempy＜－1？－1.0：tempy）；realx=cos（0.63）*tempx-sin（0.63）* tempy；realy=sin（0.63）*tempx+cos（0.63）* tempy；realx=（realx＞1？1.0：realx）；realx=（realx＜－1？－1.0：realx）；realy=（realx＞1？1.0：realy）；realy=（realx＜－1？－1.0：realy）；realx=asin（realx）/3.1415926*180000；realy=asin（realy）/3.1415926*180000；｝4.2上位机程序上位机应用程序在Microsoft Visual Basic6.0中文版环境下编写。