一、引言
傾角傳感器是測量關(guān)于水平面的傾斜角的裝置，在土木建筑、水文地質(zhì)、兵器、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的用途。傾角傳感器種類繁多，按照其工作原理可以分為“固體擺”式，“液體擺”式，“氣體擺”式三種傾角傳感器。對于固體擺式傾角傳感器的研究已經(jīng)比較成熟，且應(yīng)用廣泛，但其易受外界干擾，如機(jī)械振動沖擊；而液體擺式傾角傳感器具有靈敏度高、耐腐蝕、耐潮濕等特點(diǎn)，但其致命的缺點(diǎn)是溫度變化會嚴(yán)重影響其工作特性，從而限制了液體擺式傾角傳感器的發(fā)展和應(yīng)用；氣體擺式傾角傳感器結(jié)構(gòu)簡單，抗振動和抗沖擊能力強(qiáng)，但其受環(huán)境溫度影響較大，測試精度不高。總之，現(xiàn)有的傾角傳感器的精度需要較高的成本來提高，并存在零位偏差，時(shí)間漂移和溫度漂移等問題。
針對上述問題本文設(shè)計(jì)了一種基于自動調(diào)零理論的自動調(diào)零伺服傾角傳感器，其基本思想源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺旋轉(zhuǎn)180°找平的古老方法，并采用步進(jìn)電機(jī)及單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。這種自動調(diào)零伺服傾角傳感器能很好的解決零位偏差，時(shí)間漂移和溫度漂移等問題，使傾角傳感器的性能得到了提高，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。
二、理論基礎(chǔ)
自動調(diào)零伺服傾角傳感器是設(shè)計(jì)用來校正各種來源的零位偏差和漂移。其基本思想來源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺在被測物體表面旋轉(zhuǎn)180o來找平的古老方法。如果水泡顯示了相同的結(jié)果就表示工作正常，否則就指示一個(gè)等于水泡頂點(diǎn)位置差額的一半的錯(cuò)誤。在本文的應(yīng)用中，伺服傾角傳感器位于一個(gè)輸入軸IA平行于其表面的旋轉(zhuǎn)圓盤上，當(dāng)要執(zhí)行偏移校正操作時(shí)可以直接旋轉(zhuǎn)180o到圓盤的相反位置上，如圖1所示。
圖1伺服傾角計(jì)的零位偏差不依賴于傳感器的位置。因此，當(dāng)附于水平旋轉(zhuǎn)圓盤上的傳感器轉(zhuǎn)到兩個(gè)不同位置時(shí)，其輸出將不會改變。
圖1 伺服傾角計(jì)的零位偏差不依賴于傳感器的位置
傾角傳感器在零輸入（傾角傳感器的底座位于絕對水平的表面上）時(shí)的輸出由兩部分組成：
（1）偏移誤差VB定義為不依賴于傾角傳感器位置的輸出。
（2）未對準(zhǔn)誤差角e主要是由于傾角傳感器的底座沒有與測量軸線絕對平行而造成的。這樣就引起了一個(gè)與未對準(zhǔn)角度成比例的輸出電壓Ve（對于很小的角度來說，sine≈e）。 如果圖1中的旋轉(zhuǎn)底座在一個(gè)絕對水平的平面上，則很明顯在兩個(gè)位置上傾角傳感器的偏移誤差輸出VB和未對準(zhǔn)誤差輸出Ve的輸出和為：
Vo=VB+Ve （1）
假設(shè)旋轉(zhuǎn)底座相對于Y軸傾斜了角度φ，則分析過程如下，如圖2所示。
圖2 在直徑相對位置旋轉(zhuǎn)傳感器將產(chǎn)生相等的電磁場和相反的極性
很明顯圖2所示的旋轉(zhuǎn)傳感器時(shí)，角度φ在這兩個(gè)位置是相同的。顯然輸入軸線的方向是相反的，這樣輸出電壓的Vφ極性也相反。在位置1和位置2電壓輸出是重疊的：
V1=Vo+Vφ=VB+Ve+Vφ（2）
V2=Vo-Vφ=VB+Ve-Vφ（3）
最后，位置1和位置2的輸出相減（V1-V2=2Vφ）即可得到結(jié)果：
一般來說，從等式中可以看出偏移誤差和未對準(zhǔn)誤差是可以完全消除，從而可以得到真實(shí)的角度。事實(shí)上，這就是自動調(diào)零的作用。要把這些理論應(yīng)用于實(shí)踐，以下的基本條件必須滿足：
（1）在位置2時(shí)的旋轉(zhuǎn)圓盤的表面必須與位置1的表面平行。
（2）因?yàn)閮A角傳感器事實(shí)上是一個(gè)加速度計(jì)，所以在執(zhí)行誤差校正操作時(shí)儀器必須靜止，而且要盡量避免震動。
（3）在測量位置的讀數(shù)應(yīng)該在傾角傳感器的輸出達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)讀取。
三、系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)
根據(jù)上面提出的自動調(diào)零的理論基礎(chǔ)，要實(shí)現(xiàn)傾角傳感器的自動調(diào)零，傾角傳感器需要精確旋轉(zhuǎn)180o。經(jīng)過對各種微電機(jī)的比較，選用易于進(jìn)行精確控制的步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)平臺的旋轉(zhuǎn)，然后將傾角傳感器精確地安裝在此平臺上。傾角傳感器在兩個(gè)相反位置上的讀數(shù)需要用足夠位數(shù)、精度和響應(yīng)速度的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后利用單片機(jī)存儲和計(jì)算最終結(jié)果。其數(shù)字輸出結(jié)果通過RS-232或者其他形式進(jìn)行輸出，如圖3所示。
圖3 自動調(diào)零伺服傾角傳感器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖
四、試驗(yàn)結(jié)果
1. 溫度漂移試驗(yàn)
經(jīng)過對傾角傳感器自動調(diào)零原理的研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了自動調(diào)零伺服傾角傳感器樣機(jī)。為了驗(yàn)證自動調(diào)零伺服傾角傳感器的自動調(diào)零和消除漂移特性，對此傾角傳感器進(jìn)行高低溫試驗(yàn)。其溫度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中V0和V180是內(nèi)部傾角傳感器在自動調(diào)零校正操作時(shí)在兩個(gè)測量位置直接讀取的，而Vout是調(diào)零校正后的計(jì)算結(jié)果（下同）。
表1 零位溫度試驗(yàn)結(jié)果(1V/°)
然后對結(jié)果進(jìn)行修正，用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，修正后的結(jié)果如表2所示。可以得到溫度變化-輸出變化特性圖，如圖4所示。可以看出，在低溫-40℃到高溫60℃的溫度范圍內(nèi)，內(nèi)部傾角傳感器的輸出V0具有最大為0.135V的溫度靈敏性。而當(dāng)經(jīng)過偏移校正后，傾角傳感器的輸出Vout具有最大為0.01V的溫度靈敏性。也就是說此傾角傳感器的零位溫度系數(shù)小于0.0001°/℃，其調(diào)零精度達(dá)到0.01°，達(dá)到了自動調(diào)零的目的，能夠滿足測試設(shè)備的要求。
表2 修正后的結(jié)果
圖4 零位溫度試驗(yàn)的輸出變化特性圖
2. 零位重復(fù)性試驗(yàn)
零位重復(fù)性是指傾角傳感器偏離零位后再恢復(fù)至零位時(shí)傾角的變化值。其數(shù)據(jù)記錄結(jié)果如表3所示。對數(shù)據(jù)記錄分析可知，自動調(diào)零伺服傾角傳感器的零位重復(fù)性為0.001°。
表3 零位重復(fù)性實(shí)驗(yàn)記錄表
