数字倾角测量仪的设计测试测量

2019-10-13 06:31:32 来源: 通州信息港

  数字倾角测量仪的设计 - 测试测量 - 电子工程

  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,,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,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,要显着提高测量精度,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。

饮品
江西手机网
赛车
本文标签: