CN202661064U

CN202661064U - 一种数字化usb倾斜仪

Info

Publication number: CN202661064U
Application number: CN 201220325280
Authority: CN
Inventors: 张文武; 张峰
Original assignee: SHANGHAI VIGOR TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI VIGOR TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2022-07-06

Abstract

本实用新型揭示了一种数字化USB倾斜仪，包括倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台、USB接口单元。倾角传感器用以提供高分辨率的倾斜角度；滤波单元用以对倾角传感器输出的模拟信号进行滤波；处理器用以对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，真实地反映出倾角输出信息，并对数字处理后的信号进行角度转换；数显分度转台用以对传倾角感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；USB接口单元用以输出测量倾斜角度数据至外部设备。本实用新型数字化USB倾斜仪将倾角传感器与USB接口结合在一起，可通过USB接口输出测量过程中的倾斜角度数据，USB接口能够对倾斜仪供电，支持热插拔。

Description

一种数字化USB倾斜仪

技术领域

本实用新型属于测量技术领域，涉及一种倾斜仪，尤其涉及一种数字化USB倾斜仪。

背景技术

数字化倾斜仪是一种将数字接口与倾角传感器结合在一起全新的倾斜仪。

通常情况下，数字化倾斜仪是用来测量物体随时间的倾斜变化及铅垂线随时间变化的仪器，数字接口用于输出；数字接口多为RS232、RS485、并口接口,而且还需外接电源供电。

为了满足USB接口使用日益广泛的趋势,如今迫切需要将USB接口与倾角传感器结合在一起,可以与任意具有USB接口的设备连接,直接从USB总线取电,无需外接电源,将数字化倾斜仪变成一个可热插拔的USB设备。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种数字化USB倾斜仪，将倾角传感器与USB接口结合在一起，可通过USB接口输出测量过程中的倾斜角度数据，USB接口能够对倾斜仪供电，支持热插拔。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种数字化USB倾斜仪，所述倾斜仪包括：

倾角传感器，用以提供高分辨率的倾斜角度；

滤波单元，与所述倾角传感器连接，用以对所述倾角传感器输出的模拟信号进行滤波；

处理器，与所述滤波单元连接，用以对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，真实地反映出倾角输出信息，并对数字处理后的信号进行角度转换；

数显分度转台，与所述处理器连接，用以对传倾角感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；所述处理器进一步利用数显分度转台计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿；

USB接口单元，与所述处理器及外部设备连接，用以输出测量倾斜角度数据至外部设备。

作为本实用新型的一种优选方案，所述倾斜仪还包括电源***，与所述倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台、USB接口单元连接，用以提供电源。

作为本实用新型的一种优选方案，所述电源***包括能量管理***，用以提供电源能量监控，根据实际测量类需求，对功耗做管理，满足对一次测量时间的要求。

作为本实用新型的一种优选方案，所述滤波单元为硬件滤波单元，用以对倾角传感器输出的模拟信号带宽内滤波。

作为本实用新型的一种优选方案，所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂做补偿。

作为本实用新型的一种优选方案，所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的灵敏度温漂做补偿。

作为本实用新型的一种优选方案，所述USB接口单元与一电源***连接，同时，USB接口单元与所述倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台连接，用以为倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台提供电源。

本实用新型的有益效果在于：在USB接口使用日益广泛的趋势下,本实用新型提出的数字化USB倾斜仪，能够提供倾斜角度的测量，可直接连接任意设备的USB端口,直接从USB总线取电,无需外接电源,将倾斜仪变成可热插拔的USB设备,能够满足工业应用、研究所及军工单位的测量应用需求。相对于现有的同类数字倾斜仪有明显优势。

此外，本实用新型数字化USB倾斜仪内部软件集成了自标定算法，能够在外部简单的操作实现数字倾斜仪本身数字自动标定。

附图说明

图1为本实用新型数字化USB倾斜仪的组成示意图。

图2为本实用新型数字化USB倾斜仪测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

实施例一

本实用新型揭示了一种数字化USB倾斜仪，包括倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台、电源***、USB接口单元。倾角传感器用以提供高分辨率的倾斜角度；滤波单元与所述倾角传感器连接，用以对所述倾角传感器输出的模拟信号进行滤波；处理器与所述滤波单元连接，用以对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，真实地反映出倾角输出信息，并对数字处理后的信号进行角度转换；数显分度转台与所述处理器连接，用以对传倾角感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；所述处理器进一步利用数显分度转台计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿；电源***与所述倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台连接，用以提供电源；USB接口单元与所述处理器及外部设备连接，给予倾斜仪供电，并用以输出测量倾斜角度数据至外部的其他设备。

请参阅图1，本实施例中，所述USB倾斜仪包括核心高精度MEMS倾角传感器1、硬件滤波单元2、电源***3、内置24Bit模数转化单元AD的MCU4、数显分度转台（图未示）、USB接口单元5。所述MCU4连接硬件滤波单元2、电源***3、数显分度转台、USB接口单元5，所述电源***3连接倾角传感器1、硬件滤波单元2、数显分度转台、USB接口单元5。所述USB接口单元5连接MCU4、电源***3。

核心高精度MEMS倾角传感器1可以提供很高的角度分辨率，通过硬件滤波2对高精度MEMS倾角传感器1输出模拟信号带宽内滤波，内置24BitAD的MCU对核心高精度MEMS倾角传感器1输出的模拟信号进行高精度模数转换，在MCU内部软件内作数字信号滤波，真实地反映出倾角输出信息。

内置24bit AD的MCU4会对数字处理后信号进行角度转换，然后会利用外部高精度的数显分度转台对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试。内置24bit AD的MCU4利用内部最小二乘法算法对在线测试数据运算，计算出合适的线性标定系数，并存储于MCU内部开辟的Flash Data存储空间。每一次测量后,内置24bitAD的MCU4利用事先计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿，达到提高倾角测量的线性度的目的。

所述处理器的线性补偿方法包括：对一组标准值a₁,a₂,a₃,...,a_k，和对应该组标准值的实际测量所得一组值b₁,b₂,b₃,...,b_k，根据两组值拟合出一个多项式a_i＝F(b_i),i＝1...k,即f＝k₀+k₁C+k₂C²+k₃C³+...+k_mC^m，k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m为多项式系数，C＝a₁,a₂,a₃,...,a_k；利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该多项式对采集的数据进行多项式计算，即数据补偿。

如图1所示，USB接口符合USB2.0标准,支持RS232界面,可通过USB总线直接取电给电源***。

此外，所述数字化USB倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂和灵敏度温漂做补偿。利用外部设备高低温实验箱对核心高精度MEMS倾角传感器1作温度补偿测试(灵敏度温漂、零点温漂)，内置24bitMCU4利用内部最小二乘法算法对在线对测试数据处理、运算，计算出温度补偿系数，并存储于内部开辟的存储空间内，以后每-次测量数据输出都会被温度补偿系数修正，能够很好地降低温度对传感器的影响。

零点温漂补偿方法包括：对倾斜仪的零点输出做温度试验，测量出倾斜仪的零点输出受温度影响的变化，利用最小二乘法拟合出零点输出与温度变化之间的多项式关系式，Z＝Z(T),即Z(T)＝k₀+k₁T+k₂T²+k₃T³+...+k_mT^m，其中，k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m为多项式系数；利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该关系式对零点输出做补偿。

灵敏度温漂补偿方法包括：对倾斜仪的灵敏度做温度试验，测量出倾斜仪的灵敏度受温度影响的变化，利用最小二乘法拟合出灵敏度与温度变化之间的多项式关系式，S=S（T），即S(T)＝k₀+k₁T+k₂T²+k₃T³+...+k_mT^m，其中，k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m为多项式系数；利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该关系式对灵敏度做补偿。

上述三个补偿步骤使用了最小二乘法；三个补偿步骤中，多项式的系数k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m根据实际情况计算，在三个补偿步骤中多项式的系数k₀,k₁,k₂,k₃,...,k_m并不要求相等。

以上介绍了本实用新型数字化USB倾斜仪的组成，本实用新型在揭示上述数字化USB倾斜仪的同时，还揭示一种上述数字化USB倾斜仪的测量方法；请参阅图2，所述测量方法包括如下步骤：

【步骤S1】倾角传感器提供高分辨率的倾斜角度，滤波单元对倾角传感器输出的模拟信号滤波；

【步骤S2】处理器对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，真实地反映出倾角输出信息；

【步骤S3】处理器对数字处理后的信号进行角度转换，利用外部高精度的数显分度转台对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试，所述处理器利用最小二乘法算法对在线测试数据运算，计算出合适的线性标定系数，并存储于处理器内的存储空间；

【步骤S4】每一次测量后,处理器利用事先计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿，达到提高倾角测量的线性度的目的。

【步骤S5】每一次数据修正后,处理器通过USB接口对外传输数据，达到USB接口数据输出的目的。

综上所述，本实用新型提出的数字化USB倾斜仪，能够提供倾斜角度测量，可直接连接任意设备的USB端口,直接从USB总线取电,无需外接电源,将倾斜仪变成可热插拔的USB设备,能够满足工业应用、研究所及军工单位的测量应用需求。相对于现有的同类数字倾斜仪有明显优势。

本实用新型数字化USB倾斜仪硬性好、不易变形、耐高低温、密封性好；同时还能够提供额外的接口，如LCD显示。

这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims

1.一种数字化USB倾斜仪，其特征在于，所述倾斜仪包括：

倾角传感器，用以提供高分辨率的倾斜角度；

2.根据权利要求1所述的数字化USB倾斜仪，其特征在于：

所述倾斜仪还包括电源***，与所述倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台、USB接口单元连接，用以提供电源。

3.根据权利要求2所述的数字化USB倾斜仪，其特征在于：

所述电源***包括能量管理***，用以提供电源能量监控，根据实际测量类需求，对功耗做管理，满足对一次测量时间的要求。

4.根据权利要求1所述的数字化USB倾斜仪，其特征在于：

所述滤波单元为硬件滤波单元，用以对倾角传感器输出的模拟信号带宽内滤波。

5.根据权利要求1所述的数字化USB倾斜仪，其特征在于：

所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂做补偿。

6.根据权利要求1所述的数字化USB倾斜仪，其特征在于：

所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的灵敏度温漂做补偿。

7.根据权利要求1所述的数字化USB倾斜仪，其特征在于：

所述USB接口单元与一电源***连接，同时，USB接口单元与所述倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台连接，用以为倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台提供电源。