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，但其致命的缺點是溫度變化會嚴重影響其工作特性，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，但其受環(huán)境溫度影響較大，測試精度不高?？傊F(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，時間漂移和溫度漂移等問題。

針對上述問題本文設(shè)計了一種基于自動調(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，并采用步進電機及單片機控制技術(shù)設(shè)計和實現(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)用價值。

二、理論基礎(chǔ)

自動調(diào)零伺服傾角傳感器是設(shè)計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，否則就指示一個等于水泡頂點位置差額的一半的錯誤。在本文的應(yīng)用中，伺服傾角傳感器位于一個輸入軸IA平行于其表面的旋轉(zhuǎn)圓盤上，當要執(zhí)行偏移校正操作時可以直接旋轉(zhuǎn)180o到圓盤的相反位置上，如圖1所示。

圖1伺服傾角計的零位偏差不依賴于傳感器的位置。因此，當附于水平旋轉(zhuǎn)圓盤上的傳感器轉(zhuǎn)到兩個不同位置時，其輸出將不會改變。

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。這樣就引起了一個與未對準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)底座在一個絕對水平的平面上，則很明顯在兩個位置上傾角傳感器的偏移誤差輸出VB和未對準誤差輸出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。

很明顯圖2所示的旋轉(zhuǎn)傳感器時，角度φ在這兩個位置是相同的。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誤差是可以完全消除，從而可以得到真實的角度。事實上，這就是自動調(diào)零的作用。要把這些理論應(yīng)用于實踐，以下的基本條件必須滿足：

（1）在位置2時的旋轉(zhuǎn)圓盤的表面必須與位置1的表面平行。

（2）因為傾角傳感器事實上是一個加速度計，所以在執(zhí)行誤差校正操作時儀器必須靜止，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到平衡狀態(tài)時讀取。

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)過對各種微電機的比較，選用易于進行精確控制的步進電機來實現(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)換器進行轉(zhuǎn)換，最后利用單片機存儲和計算最終結(jié)果。其數(shù)字輸出結(jié)果通過RS-232或者其他形式進行輸出，如圖3所示。

四、試驗結(jié)果

1、溫度漂移試驗

經(jīng)過對傾角傳感器自動調(diào)零原理的研究，設(shè)計并實現(xiàn)了自動調(diào)零伺服傾角傳感器樣機。為了驗證自動調(diào)零伺服傾角傳感器的自動調(diào)零和消除漂移特性，對此傾角傳感器進行高低溫試驗。其溫度試驗結(jié)果如表1所示，其中V0和V180是內(nèi)部傾角