一、引言
傾角傳感器是測(cè)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(duì)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(dòng)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(huì)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(jiǎn)單，抗振動(dòng)和抗沖擊能力強(qiáng)，但其受環(huán)境溫度影響較大，測(cè)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(lái)提高，并存在零位偏差，時(shí)間漂移和溫度漂移等問(wèn)題。
針對(duì)上述問(wèn)題本文設(shè)計(jì)了一種基于自動(dòng)調(diào)零理論的自動(dòng)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(dòng)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(wèn)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(dòng)調(diào)零伺服傾角傳感器是設(shè)計(jì)用來(lái)校正各種來(lái)源的零位偏差和漂移。其基本思想來(lái)源于木匠和建筑者使用的利用水泡尺在被測(cè)物體表面旋轉(zhuǎn)180o來(lái)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(pán)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(pán)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(pán)上的傳感器轉(zhuǎn)到兩個(gè)不同位置時(shí)，其輸出將不會(huì)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(duì)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(duì)準(zhǔn)誤差角e主要是由于傾角傳感器的底座沒(méi)有與測(cè)量軸線絕對(duì)平行而造成的。這樣就引起了一個(gè)與未對(duì)準(zhǔn)角度成比例的輸出電壓Ve(對(duì)于很小的角度來(lái)說(shuō)，sine≈e)。 如果圖1中的旋轉(zhuǎn)底座在一個(gè)絕對(duì)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(duì)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(duì)于Y軸傾斜了角度φ，則分析過(guò)程如下，如圖2所示。
圖2 在直徑相對(duì)位置旋轉(zhuǎn)傳感器將產(chǎn)生相等的電磁場(chǎng)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(lái)說(shuō)，從等式中可以看出偏移誤差和未對(duì)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(dòng)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(pán)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(dòng)。
(3)在測(cè)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。
