CN115060294A - 一种无线倾角仪标定*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线倾角仪标定***，涉及倾角仪技术领域包括上位机、中控旋转平台、转接板以及标定板；上位机用于发送脉冲指令至PLC控制器；PLC控制器用于将脉冲指令发送给步进电机驱动器，以驱动步进电机旋转；进而带动中控旋转平台以预设标准速度作旋转运动，实现无线倾角仪角度的倾斜；转接板和标定板通过相互垂直的接触方式并通过螺纹连接锁紧；标定板上沉下去的凹槽与无线倾角仪的外形轮廓相一致，为无线倾角仪的重复安装和标定提高良好的定位精度，再用螺纹连接将无线倾角仪锁紧在标定板上，减少了重复安装的随意性；中控旋转平台带动标定板旋转，实现加速度计的标定和温度补偿的标定，提高了无线倾角仪的标定效率。

Description

一种无线倾角仪标定***

技术领域

本发明涉及倾角仪技术领域，具体是一种无线倾角仪标定***。

背景技术

高精度倾角仪在车辆底盘调平检测，高塔或高楼监测，桥梁与大坝监测和高精度激光平台设备等各个领域都有广泛的应用，目前市场上的高精度双轴倾角仪在大量程的情况下精度不高，不能满足实际应用的需求；

目前倾角仪是利用铣床分度头对一个圆周进行等分或不等分来产生倾斜角并在该倾斜角上对倾角仪进行标定和检验；铣床分度头的机械间隙使得重复定位的精度不高，而且分度头的角度定位需要手动旋转手轮来完成操作，批量生产时标定人员的劳动强度大，使得每次倾角仪标定的差异性比较大，标定的效率无法提高；基于以上不足，本发明提出一种无线倾角仪标定***。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，本发明提出一种无线倾角仪标定***，能够根据测试人员在给定倾斜角度的条件下，运用步进电机、步进电机驱动器、PLC、中控旋转平台等组成的***实现自动控制倾斜角度的变化和自动完成标定，减少了重复安装的随意性，提高了无线倾角仪重复标定的安装精度，从而提高无线倾角仪的标定精度。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种无线倾角仪标定***，包括上位机、PLC控制器、参数采集模块、参数分析模块、机架、步进电机、中控旋转平台、转接板、标定板以及无线倾角仪；

所述上位机用于发送脉冲指令至PLC控制器；所述PLC控制器用于将脉冲指令发送给步进电机驱动器，以驱动步进电机旋转；并将旋转运动传递给中控旋转平台，带动中控旋转平台以预设标准速度作旋转运动，实现无线倾角仪角度的倾斜；

当中控旋转平台以预设标准速度作旋转运动时，所述参数分析模块用于对步进电机的运行参数数据进行预警分析，以及时提醒工作人员对步进电机进行检修，避免影响无线倾角仪的标记工作；

其中，无线倾角仪的具体标记过程为：

先将无线倾角仪的Y轴朝中控旋转平台的方向，标定无线倾角仪绕Y轴顺、逆时针各旋转90度，再绕Y旋转180度，采集此时三个位置的加速度计三轴加速度测量值；再将无线倾角仪转90度，使无线倾角仪的X轴朝中控旋转平台的方向，标定无线倾角仪绕X轴顺、逆时针各旋转90度，再绕X旋转180度，采集此时三个位置的加速度计三轴加速度测量值；实现单轴转台自动标定无线倾角仪的X轴和Y轴共六个倾斜角度的快速标定，建立误差标定模型，得到三轴加速度标定公式并对加速度计进行标定；

将无线倾角仪标定***固定在高低温试验箱内，建立倾角误差与温度之间的函数关系，得到温度补偿公式，实现无线倾角仪温度补偿的标定。

进一步地，中控旋转平台的旋转角度的获取方法为：

将中控旋转平台的减速比标记为i，步距角标记为α；将PLC控制器发送的脉冲数标记为M，将步进电机驱动器细分等份为N，记中控旋转平台的旋转角度为θ，则θ=(α×M)/(i×N)。

进一步地，所述中控旋转平台以预设标准速度作旋转运动，具体为：

通过转速传感器采集中控旋转平台的实际旋转速度；

所述PLC控制器用于将实际旋转速度与预设标准速度相比较；若速度误差大于预设差值范围，则反馈脉冲调整信号至上位机，对上位机输出的脉冲指令进行调整；具体调整内容包括脉冲发送的频率和个数；使得中控旋转平台以预设标准速度作旋转运动。

进一步地，所述参数采集模块为与步进电机相连接的传感器组，用于采集步进电机的运行参数数据，并将采集的运行参数数据传输至参数分析模块进行综合分析；所述传感器组包括电压传感器、电流传感器、转速传感器、振动传感器和温度传感器；所述运行参数数据包括流经步进电机的实时电流、实时电压以及步进电机的旋转速度、振动频率和实时温度。

进一步地，所述参数分析模块的具体分析步骤为：

S1：获取运行参数数据中对应的实时电流、实时电压、旋转速度、振动频率和实时温度，并依次标记为DL、DY、ZS、ZD以及WT；

利用公式YX=DL×b1+DY×b2+ZS×b3+ZD×b4计算得到步进电机的运行系数YX，其中b1、b2、b3、b4均为系数因子；

S2：建立第一分析数组；第一分析数组包括同一时刻获取的步进电机的运行系数YX和实时温度WT；以运行系数YX为自变量，实时温度WT为因变量建立步进电机的运行曲线，对运行曲线进行求导获取运行导数曲线；

S3：获取运行导数曲线中导数为0的点并标记为驻点；将相邻两个驻点对应的运行系数的采集时刻进行时间差计算得到驻变时长ZT；

驻变时长ZT与预设时长阈值相比较；若驻变时长ZT≥时长阈值，且此时的实时温度WT1满足(RT-μ)≤WT1≤(RT+μ)；则判定此时步进电机运行正常；否则步进电机运行异常；生成异常信号；其中RT为步进电机对应的预设温度阈值；μ为补偿因子；所述参数分析模块用于将异常信号传输至PLC控制器，所述PLC控制器用于接收异常信号后控制步进电机停机，并驱动控制报警模块发出警报，以提醒工作人员对步进电机进行检修。

进一步地，通过PLC控制器发送给步进电机驱动器的脉冲指令，实现中控旋转平台的启停和换向；所述脉冲指包括脉冲信号PUL、方向信号DIR和使能信号ENA。

进一步地，所述机架包括底板、侧板以及支撑板，用于安装控旋转平台；所述中控旋转平台内部采用螺旋斜齿、交叉滚子轴承；所述步进电机的旋转轴***控旋转平台的尾部，通过侧边预留的锁紧环螺丝进行锁紧。

进一步地，转接板和标定板通过相互垂直的接触方式用螺纹连接锁紧；所述标定板上沉下去的凹槽与无线倾角仪的外形轮廓相一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中上位机用于发送脉冲指令至PLC控制器；PLC控制器用于将脉冲指令发送给步进电机驱动器，以驱动步进电机旋转，并将旋转运动传递给中控旋转平台，带动中控旋转平台作旋转运动；其中，转速传感器用于采集中控旋转平台的实际旋转速度，PLC控制器用于将实际旋转速度与预设标准速度相比较；若速度误差大于预设差值范围，则反馈脉冲调整信号至上位机，对上位机输出的脉冲指令进行调整；具体调整内容包括脉冲发送的频率和个数；使得中控旋转平台能够以预设标准速度作旋转运动，实现无线倾角仪角度的倾斜，减小测量误差；

2、本发明中转接板和标定板通过相互垂直的接触方式用螺纹连接锁紧；所述标定板上沉下去的凹槽与无线倾角仪的外形轮廓相一致，其中，外形轮廓与无线倾角仪的间隙为无线倾角仪的重复安装和标定提高良好的定位精度，再用螺纹连接将无线倾角仪锁紧在标定板上，减少了重复安装的随意性；当中控旋转平台以预设标准速度作旋转运动时，参数分析模块用于对步进电机的运行参数数据进行预警分析，以提醒工作人员对步进电机进行检修，避免影响无线倾角仪的标记工作；

3、本发明中先将无线倾角仪的Y轴朝中控旋转平台的方向，标定无线倾角仪绕Y轴顺、逆时针各旋转90度，再绕Y旋转180度，采集此时三个位置的加速度计三轴加速度测量值；再将无线倾角仪转90度，使无线倾角仪的X轴朝中控旋转平台的方向，标定无线倾角仪绕X轴顺、逆时针各旋转90度，再绕X旋转180度，采集此时三个位置的加速度计三轴加速度测量值；实现单轴转台自动标定无线倾角仪的X轴和Y轴共六个倾斜角度的快速标定，建立误差标定模型，得到三轴加速度标定公式并对加速度计进行标定；将无线倾角仪标定***固定在高低温试验箱内，建立倾角误差与温度之间的函数关系，得到温度补偿公式，实现无线倾角仪温度补偿的标定，有效提高无线倾角仪的标定效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种无线倾角仪标定***的***框图。

图2为本发明一种无线倾角仪标定***的结构示意图。

图3为本发明中步进电机与中控旋转平台的连接示意图。

图中：1、机架；1.1、底板；1.2、侧板；1.3、支撑板；2、步进电机；3、中控旋转平台；3.1、锁紧环螺丝；4、转接板；5、标定板；5.1、凹槽；6、无线倾角仪。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，一种无线倾角仪标定***，包括上位机、PLC控制器、参数采集模块、参数分析模块、报警模块、机架1、步进电机2、中控旋转平台3、转接板4、标定板5以及无线倾角仪6；

其中，机架1包括底板1.1、侧板1.2以及支撑板1.3，用于安装中控旋转平台3；其中底板1.1与侧板1.2、支撑板1.3通过螺纹连接；

中控旋转平台3内部采用螺旋斜齿、交叉滚子轴承，用于实现高负载、高刚性、高输出驱动的精准角度定位；

步进电机2的旋转轴***中控旋转平台3的尾部，通过侧边预留的锁紧环螺丝3.1进行锁紧；其中，转接板4和标定板5通过相互垂直的接触方式用螺纹连接锁紧；标定板上沉下去的凹槽5.1与无线倾角仪6的外形轮廓相一致；其中，外形轮廓与无线倾角仪6的间隙为无线倾角仪6的重复安装和标定提高良好的定位精度，再用螺纹连接将无线倾角仪6锁紧在标定板5上，减少了重复安装的随意性；

在本实施例中，上位机用于发送脉冲指令至PLC控制器；PLC控制器用于将脉冲指令发送给步进电机驱动器；步进电机驱动器接到脉冲指令后驱动步进电机2旋转，并将旋转运动传递给中控旋转平台3，带动中控旋转平台3以预设标准速度作旋转运动，实现无线倾角仪6角度的倾斜；

其中，参数采集模块为与步进电机2相连接的传感器组，用于采集步进电机2的运行参数数据，并将采集的运行参数数据传输至参数分析模块进行综合分析；传感器组包括电压传感器、电流传感器、转速传感器、振动传感器和温度传感器；运行参数数据包括流经步进电机2的实时电流、实时电压以及步进电机2的旋转速度、振动频率和实时温度；

其中，转速传感器用于采集中控旋转平台3的实际旋转速度，并将采集的实际旋转速度传输至PLC控制器，PLC控制器用于将实际旋转速度与预设标准速度相比较；若速度误差大于预设差值范围，则反馈脉冲调整信号至上位机，对上位机输出的脉冲指令进行调整；具体调整内容包括脉冲发送的频率和个数；使得中控旋转平台3能够以预设标准速度作旋转运动，实现无线倾角仪6角度的倾斜，减小测量误差；

当中控旋转平台3以预设标准速度作旋转运动时，参数分析模块用于对步进电机2的运行参数数据进行预警分析，具体分析步骤为：

S1：获取运行参数数据中对应的实时电流、实时电压、旋转速度、振动频率和实时温度，并依次标记为DL、DY、ZS、ZD以及WT；利用公式YX=DL×b1+DY×b2+ZS×b3+ZD×b4计算得到步进电机2的运行系数YX，其中b1、b2、b3、b4均为系数因子；

S2：建立第一分析数组；第一分析数组包括同一时刻获取的步进电机2的运行系数YX和实时温度WT；其中，运行系数YX和实时温度WT一一对应；以运行系数YX为自变量，以实时温度WT为因变量建立步进电机2的运行曲线，对步进电机2的运行曲线进行求导获取运行导数曲线；

S3：获取运行导数曲线中导数为0的点并标记为驻点；将相邻两个驻点对应的运行系数的采集时刻进行时间差计算得到驻变时长ZT；

驻变时长ZT与预设时长阈值相比较；若驻变时长ZT≥时长阈值，且此时的实时温度WT1满足(RT-μ)≤WT1≤(RT+μ)；则判定此时步进电机2运行正常；其中RT为步进电机2对应的预设温度阈值；μ为补偿因子；否则步进电机2运行异常；生成异常信号；

参数分析模块用于将异常信号传输至PLC控制器，PLC控制器用于接收异常信号后控制步进电机2停机，并驱动控制报警模块发出警报，以提醒工作人员对步进电机2进行检修，避免影响无线倾角仪6的标记工作；

其中，无线倾角仪6的具体标记过程为：

通过PLC控制器发送给步进电机驱动器的脉冲指令，实现中控旋转平台3的启停和换向；脉冲指包括脉冲信号PUL、方向信号DIR和使能信号ENA；

将中控旋转平台3的减速比标记为i，步距角标记为α；将PLC控制器发送的脉冲数标记为M，将步进电机驱动器细分等份为N，记中控旋转平台3的旋转角度为θ，则θ=(α×M)/(i×N)；

由θ和M的关系，先将无线倾角仪6的Y轴朝中控旋转平台3的方向，标定无线倾角仪6绕Y轴顺、逆时针各旋转90度，再绕Y轴旋转180度，采集此时三个位置的加速度计三轴加速度测量值；再将无线倾角仪6转90度，使无线倾角仪6的X轴朝中控旋转平台3的方向，标定无线倾角仪6绕X轴顺、逆时针各旋转90度，再绕X旋转180度，采集此时三个位置的加速度计三轴加速度测量值；实现单轴转台自动标定无线倾角仪6的X轴和Y轴共六个倾斜角度的快速标定，建立误差标定模型，得到三轴加速度标定公式并对加速度计进行标定；

将本实施例中的无线倾角仪标定***固定在高低温试验箱内，建立倾角误差与温度之间的函数关系，得到温度补偿公式，实现无线倾角仪6温度补偿的标定。

本发明通过PLC控制器给步进电机驱动器发送脉冲，控制步进电机2实现中控旋转平台3带动标定板5旋转，实现加速度计的标定和温度补偿的标定，提高了无线倾角仪6的标定效率，降低重复标定的倾斜角度误差，同时也降低了标定试验人员重复性标定的劳动强度。

上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。

本发明的工作原理：

一种无线倾角仪标定***，在工作时，机架1用于安装中控旋转平台3；步进电机2的旋转轴***中控旋转平台3的尾部，通过侧边预留的锁紧环螺丝3.1进行锁紧；其中，转接板4和标定板5通过相互垂直的接触方式用螺纹连接锁紧；标定板上沉下去的凹槽5.1与无线倾角仪6的外形轮廓相一致；上位机用于发送脉冲指令至PLC控制器；PLC控制器用于将脉冲指令发送给步进电机驱动器；步进电机驱动器接到脉冲指令后驱动步进电机2旋转，并将旋转运动传递给中控旋转平台3，带动中控旋转平台3以预设标准速度作旋转运动，实现无线倾角仪6角度的倾斜；

其中，转速传感器用于采集中控旋转平台3的实际旋转速度，PLC控制器用于将实际旋转速度与预设标准速度相比较；若速度误差大于预设差值范围，则反馈脉冲调整信号至上位机，对上位机输出的脉冲指令进行调整；具体调整内容包括脉冲发送的频率和个数；使得中控旋转平台3能够以预设标准速度作旋转运动，实现无线倾角仪6角度的倾斜，减小测量误差；当中控旋转平台3以预设标准速度作旋转运动时，参数分析模块用于对步进电机2的运行参数数据进行预警分析，以提醒工作人员对步进电机2进行检修，避免影响无线倾角仪6的标记工作；

无线倾角仪6的具体标记过程为：将中控旋转平台3的减速比标记为i，步距角标记为α；将PLC控制器发送的脉冲数标记为M，将步进电机驱动器细分等份为N，记中控旋转平台3的旋转角度为θ，则θ=(α×M)/(i×N)；由θ和M的关系，先将无线倾角仪6的Y轴朝中控旋转平台3的方向，标定无线倾角仪6绕Y轴顺、逆时针各旋转90度，再绕Y旋转180度，采集此时三个位置的加速度计三轴加速度测量值；再将无线倾角仪6转90度，使无线倾角仪6的X轴朝中控旋转平台3的方向，标定无线倾角仪6绕X轴顺、逆时针各旋转90度，再绕X旋转180度，采集此时三个位置的加速度计三轴加速度测量值；实现单轴转台自动标定无线倾角仪6的X轴和Y轴共六个倾斜角度的快速标定，建立误差标定模型，得到三轴加速度标定公式并对加速度计进行标定；将无线倾角仪标定***固定在高低温试验箱内，建立倾角误差与温度之间的函数关系，得到温度补偿公式，实现无线倾角仪6温度补偿的标定，提高无线倾角仪6的标定效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中；在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例；而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式；显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化； 本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明；本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种无线倾角仪标定***，其特征在于，包括上位机、PLC控制器、参数采集模块、参数分析模块、机架、步进电机、中控旋转平台、转接板、标定板以及无线倾角仪；

所述上位机用于发送脉冲指令至PLC控制器；所述PLC控制器用于将脉冲指令发送给步进电机驱动器，以驱动步进电机旋转；并将旋转运动传递给中控旋转平台，带动中控旋转平台以预设标准速度作旋转运动，实现无线倾角仪角度的倾斜；

当中控旋转平台以预设标准速度作旋转运动时，所述参数分析模块用于对步进电机的运行参数数据进行预警分析，以及时提醒工作人员对步进电机进行检修，避免影响无线倾角仪的标记工作；

其中，无线倾角仪的具体标记过程为：

先将无线倾角仪的Y轴朝中控旋转平台的方向，标定无线倾角仪绕Y轴顺、逆时针各旋转90度，再绕Y轴旋转180度，采集此时三个位置的加速度计三轴加速度测量值；再将无线倾角仪转90度，使无线倾角仪的X轴朝中控旋转平台的方向，标定无线倾角仪绕X轴顺、逆时针各旋转90度，再绕X旋转180度，采集此时三个位置的加速度计三轴加速度测量值；实现单轴转台自动标定无线倾角仪的X轴和Y轴共六个倾斜角度的快速标定，建立误差标定模型，得到三轴加速度标定公式并对加速度计进行标定；

将无线倾角仪标定***固定在高低温试验箱内，建立倾角误差与温度之间的函数关系，得到温度补偿公式，实现无线倾角仪温度补偿的标定。

2.根据权利要求1所述的一种无线倾角仪标定***，其特征在于，其中，中控旋转平台的旋转角度的获取方法为：

将中控旋转平台的减速比标记为i，步距角标记为α；将PLC控制器发送的脉冲数标记为M，将步进电机驱动器细分等份为N，记中控旋转平台的旋转角度为θ，则θ=(α×M)/(i×N)。

3.根据权利要求1所述的一种无线倾角仪标定***，其特征在于，所述中控旋转平台以预设标准速度作旋转运动，具体为：

通过转速传感器采集中控旋转平台的实际旋转速度；

所述PLC控制器用于将实际旋转速度与预设标准速度相比较；若速度误差大于预设差值范围，则反馈脉冲调整信号至上位机，对上位机输出的脉冲指令进行调整；具体调整内容包括脉冲发送的频率和个数；使得中控旋转平台以预设标准速度作旋转运动。

4.根据权利要求1所述的一种无线倾角仪标定***，其特征在于，所述参数采集模块为与步进电机相连接的传感器组，用于采集步进电机的运行参数数据，并将采集的运行参数数据传输至参数分析模块进行综合分析；所述传感器组包括电压传感器、电流传感器、转速传感器、振动传感器和温度传感器；所述运行参数数据包括流经步进电机的实时电流、实时电压以及步进电机的旋转速度、振动频率和实时温度。

5.根据权利要求4所述的一种无线倾角仪标定***，其特征在于，所述参数分析模块的具体分析步骤为：

S1：获取运行参数数据中对应的实时电流、实时电压、旋转速度、振动频率和实时温度，并依次标记为DL、DY、ZS、ZD以及WT；

利用公式YX=DL×b1+DY×b2+ZS×b3+ZD×b4计算得到步进电机的运行系数YX，其中b1、b2、b3、b4均为系数因子；

S2：建立第一分析数组；第一分析数组包括同一时刻获取的步进电机的运行系数YX和实时温度WT；以运行系数YX为自变量，实时温度WT为因变量建立步进电机的运行曲线，对运行曲线进行求导获取运行导数曲线；

S3：获取运行导数曲线中导数为0的点并标记为驻点；将相邻两个驻点对应的运行系数的采集时刻进行时间差计算得到驻变时长ZT；

驻变时长ZT与预设时长阈值相比较；若驻变时长ZT≥时长阈值，且此时的实时温度WT1满足(RT-μ)≤WT1≤(RT+μ)；则判定此时步进电机运行正常；否则步进电机运行异常；生成异常信号；其中RT为步进电机对应的预设温度阈值；μ为补偿因子；所述参数分析模块用于将异常信号传输至PLC控制器，所述PLC控制器用于接收异常信号后控制步进电机停机，并驱动控制报警模块发出警报，以提醒工作人员对步进电机进行检修。

6.根据权利要求1所述的一种无线倾角仪标定***，其特征在于，通过PLC控制器发送给步进电机驱动器的脉冲指令，实现中控旋转平台的启停和换向；所述脉冲指包括脉冲信号PUL、方向信号DIR和使能信号ENA。

7.根据权利要求1所述的一种无线倾角仪标定***，其特征在于，所述机架包括底板、侧板以及支撑板，用于安装控旋转平台；所述中控旋转平台内部采用螺旋斜齿、交叉滚子轴承；所述步进电机的旋转轴***控旋转平台的尾部，通过侧边预留的锁紧环螺丝进行锁紧。

8.根据权利要求7所述的一种无线倾角仪标定***，其特征在于，其中，转接板和标定板通过相互垂直的接触方式用螺纹连接锁紧；所述标定板上沉下去的凹槽与无线倾角仪的外形轮廓相一致。

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