引 言

數(shù)字傾角測量儀是一種測量小角度的量具，用它可測量對(duì)于水平位置的傾斜度，兩部件相互平行度和垂直度，機(jī)床、儀器導(dǎo)軌的直線度，工作臺(tái)平面度，以及平板的平面度等，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

設(shè)計(jì)中的傾角傳感器是基于熱對(duì)流的傾角傳感器，該傾角傳感器質(zhì)量較小，在大沖擊或高過載時(shí)產(chǎn)生的慣性力也很小，所以，具有較強(qiáng)的抗振動(dòng)或沖擊能力，是為數(shù)不多的能夠兼有結(jié)構(gòu)簡單、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(shè)計(jì)通過傾角傳感器測量平臺(tái)的傾角，輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)放放大后，輸出給單片機(jī)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后，通過數(shù)碼管顯示傾角的大小，還可用做控制系統(tǒng)輸出控制信號(hào)調(diào)整平臺(tái)的傾角。

1 數(shù)字傾角測量儀的原理

傾角測量儀的整體硬件設(shè)計(jì)原理如圖1所示，它由傳感器、前置放大電路、A／D轉(zhuǎn)換電路及單片機(jī)系統(tǒng)等部分組成。傳感器采集加速度信息，經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)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(hào)經(jīng)過低通濾波、運(yùn)算放大器放大處理后輸出放大后的電壓給A／D轉(zhuǎn)換模塊，A／D轉(zhuǎn)換模塊輸出8位數(shù)字量給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)最后輸出串行數(shù)據(jù)，通過數(shù)碼管顯示電路輸出平臺(tái)的傾斜角度。

2 傳感器工作原理

設(shè)計(jì)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(tǒng)。該傳感器是基于自然對(duì)流而進(jìn)行熱傳導(dǎo)的，在MXA2050A中氣體是密封腔體內(nèi)的唯一運(yùn)動(dòng)體，它的質(zhì)量較小，在大沖擊或高過載時(shí)產(chǎn)生的慣性力也很小，所以，具有較強(qiáng)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(jì)，因?yàn)椴粠в幸苿?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(hào)。允許分辨1 Hz帶寬中的低于10 mg。信號(hào)，頻響可擴(kuò)展至40Hz。在附帶一個(gè)簡單外部電路的情況下，頻響擴(kuò)展至160Hz。

熱對(duì)流加速度計(jì)包含一個(gè)密閉的腔體，腔體內(nèi)充有流體，其中，有一個(gè)加熱元件將把腔體中加熱元件周圍的流體加熱，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，周圍的相對(duì)冷的流體補(bǔ)充到空位置上，這樣，反復(fù)循環(huán)而造成熱對(duì)流傳導(dǎo)。在靜止?fàn)顟B(tài)下溫度曲線是對(duì)稱的，在有加速度的情況下，由于自然對(duì)流熱傳導(dǎo)，使得任何方向上的加速度會(huì)擾亂溫度，引起溫度的不對(duì)稱。因此，加速度計(jì)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(jì)上它們具有2個(gè)相同的加速度信號(hào)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(yùn)放、A／D轉(zhuǎn)換和顯示電路

在傳感器的應(yīng)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(hào)放大；二是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出，設(shè)計(jì)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(yùn)放AD623同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)減法、加法、放大的功能，傳感器輸出的信號(hào)VX先減去其在水平方向時(shí)的零位電壓，然后，經(jīng)過放大G倍，再加上參考電壓VREF

通過調(diào)節(jié)RG1的大小就可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，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(hào)首先經(jīng)過放大器后輸出給A／D轉(zhuǎn)換電路。A／D轉(zhuǎn)換采用TLC5510，可以實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)控制轉(zhuǎn)換的速度，輸出數(shù)字量為8位，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的精度要求。

顯示電路主要由移位寄存器、數(shù)碼管顯示兩部分組成，單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榇懈袷降臄?shù)據(jù)，在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，通過移位寄存器實(shí)現(xiàn)移位顯示。顯示電路共采用8個(gè)移位寄存器，8個(gè)數(shù)碼管，分別實(shí)現(xiàn)x，y方向的4位角度顯示，精確可達(dá)到0.01°。移位顯示電路如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中，測量多組數(shù)據(jù)，求其算術(shù)平均值作為最后測得的結(jié)果，因此，必須研究算術(shù)平均值的不確定度*定準(zhǔn)則。如果在同一條件下，對(duì)同一量值作多組重復(fù)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(jī)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，此分散說明了算術(shù)平均值的不確定性，而算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差σ則是表征同一被測量的各個(gè)獨(dú)立測量列算術(shù)平均值分散性的參數(shù)，可作為算術(shù)平均值不確定性的*定標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)差為單次測量標(biāo)準(zhǔn)差的 ，當(dāng)測量次數(shù)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(shù)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(shù)的平方根成反比，因此，要顯著提高測量精度，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(shù)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(yàn)中，取10次的測量結(jié)果的算術(shù)平均值作為最后的測量結(jié)果。測量后所繪電壓傾角關(guān)系曲線如圖5、圖6所示。

5 結(jié)論

為了滿足機(jī)械制造、設(shè)備安裝、道路橋梁、建筑工程等行業(yè)和出口的市場需求，設(shè)計(jì)了基于加速度傳感器的數(shù)字顯示傾角測量儀，其分辨力達(dá)到0.01°，綜合精度達(dá)到0.03°，達(dá)到國內(nèi)外同類產(chǎn)品的水平；性價(jià)比高。在測繪儀器、建筑機(jī)械、天線定位、機(jī)器人技術(shù)、坦克和艦船火炮平臺(tái)控制、飛機(jī)姿態(tài)、汽車電子控制、石油勘探、海上平臺(tái)監(jiān)控等方面有廣泛應(yīng)用。