一种倾角检测装置及其角度解算方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种倾角检测装置及其角度解算方法，倾角检测装置包括敏感轴相互正交设置的第一、第二和第三加速度计；用于提供恒温空间的温控模块；用于抑制外界磁场波动的磁屏蔽模块；所述第一、第二和第三加速度计均设于温控模块和磁屏蔽模块所形成的空间内。上述倾角检测装置，在传统的三轴加速度计基础上，通过温控模块有效地降低温度带来的影响，并通过磁屏蔽模块降低磁场扰动所带来的误差，使两者引起的噪声大幅降低。本申请采用特定的算法修正加速度输出结果，从而实现角秒量级的高精度倾角检测。

Inclination angle detecting device and angle resolution method thereof

The invention relates to a detecting device and a dip angle calculating method, angle detection device includes first, second and third axis acceleration sensitive orthogonal set; the temperature control module for providing space for constant temperature; magnetic shielding module restrain outside magnetic fluctuations; the first, second and third are arranged on the temperature control module and accelerometer the magnetic shielding module formed by space. The angle detection device, meter based on three axis acceleration traditions, effectively reduce the impact of temperature through the temperature control module, and reduce the error caused by the disturbance of the magnetic field of magnetic shielding module, so that the two caused significantly reduce noise. This application uses a specific algorithm to correct the acceleration output results, thus achieving high angle tilt detection of angular seconds.

【技术实现步骤摘要】
一种倾角检测装置及其角度解算方法
本申请涉及角度测量
，具体涉及一种倾角检测装置，还涉及一种该倾角检测装置的角度解算方法。
技术介绍
倾角检测装置譬如倾斜仪，是用于测量目标表面相对于当地水平面的倾斜角度的仪器。高精度倾斜仪是精密仪器研制的重要领域之一，极高精度的倾斜仪(分辨率达0.001角秒)可用于对地倾斜固体潮检测、地壳形变监测或地球动力学研究；高精度的倾斜仪(分辨率达0.1角秒)也可用于测量舰船、战车的倾斜角度，或者地质钻探、测井等领域。在地球物理应用领域，基于不同的原理，有水管倾斜仪、水平摆/竖直摆/折叠摆倾斜仪、气泡倾斜仪、激光倾斜仪等类型，其精度极高但量程都很小，而且体积大，对使用环境的温度稳定度、残余振动等条件要求苛刻，甚至需要进行气压检测和同步改正。在工程应用上的一些高精度商用倾斜仪，例如RION公司的倾斜仪，产品体积和功耗较小，其敏感结构为摆系，测量范围可以达到±15°，但分辨率和精度均有待提高。此外，部分采用ADXL335三轴加速度传感器构建的倾斜仪可以实现一个倾斜方向上接近±90°的测量，其测量精度只有约700角秒(0.2°)；受测量原理限制，在接近±90°时精度较差。在具体的工作原理中，无论是基于摆系还是基于二轴加速度计的倾斜仪，其原理均为由当地重力加速度g0在倾斜仪敏感轴上的分加速度解算角度，即θ＝arcsin(a/g0)，a为摆系或加速度计测量得到的加速度。此时倾斜仪有两种安装方式：(1)两个加速度计的测量轴在接近水平面的位置。此时，当倾斜仪在不同的重力加速度g0的环境下使用时，除非重新进行灵敏度标定，否则将出现不可忽视的系统误差；(2)当两个测量轴安装在其他方向时，只能测量仪器在两个轴所在平面内的转动，转动角由α＝arctan(ay/az)式给出，其中ay、az分别为两个敏感轴测量的加速度值。该方案不能准确给出安装平面相对于水平面的角度，因此具有明显的原理局限性。基于三轴加速度计的倾斜仪，利用第三只加速度计的输出参与角度解算，可以从模型上有效克服上述局限性。但现有基于三轴加速度计的倾斜仪受到诸多因素的限制，例如加速度计的噪声、模型误差、角度解算方式、环境温度和磁场扰动误差等，其测量精度未能达到角秒量级。因此，现有基于加速度计方案的倾斜仪等倾角检测装置，其精度有待提高。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述问题，提供一种倾角检测装置及其角度解算方法，抑制加速度计的噪声、模型误差、环境温度和磁场扰动等所带来的影响及误差，，并改进角度解算方式，以提高倾角检测的精度。一种倾角检测装置，所述倾角检测装置包括：敏感轴相互正交设置的第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计；温控模块，用于提供恒温空间，以设置所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计；磁屏蔽模块，用于屏蔽环境磁场的波动，所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计均设于所述磁屏蔽模块所形成的磁屏蔽空间内。一种基于上述倾角检测装置的角度解算方法，所述倾角检测装置还包括伺服电路，所述角度解算方法包括：其中，定义第一加速度计的敏感轴所在的轴为X轴且其垂直于所述底座所在的平面，定义第二加速度计和第三加速度计的敏感轴所在的轴分别为Y轴和Z轴，ax、ay、az分别为第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计在倾角检测装置相对于初始水平面发生变化时的对应测量值，α、β分别为第二加速度计和第三加速度计的敏感轴相对于所述初始水平面的倾角；其中，定义所述底座所在的平面初始时平行于所述初始水平面，γ为所述底座相对于所述初始水平面发生变化的角度。上述倾角检测装置及其角度解算方法，在传统的三轴加速度计基础上，通过温控模块有效地降低温度带来的影响，并通过磁屏蔽模块降低磁场扰动所带来的误差，使两者引起的噪声大幅降低。此外，本申请能够实现角秒量级的高精度计算。附图说明图1为一实施例中倾角检测装置的部分剖面结构示意图，其中，还显示了定义的三维坐标关系示意图；图2为一实施例中倾角检测装置的具体实现模块框图。具体实施方式请参阅图1，图1为一实施例中倾角检测装置的部分剖面结构示意图，在本实施例中，所述倾角检测装置包括但不限于第一加速度计2a、第二加速度计2b、第三加速度计2c、温控模块(未标示)以及磁屏蔽模块5。需要说明的是，第一加速度计2a、第二加速度计2b、第三加速度计2c、温控模块以及磁屏蔽模块5为本实施例的最小可实现模组，其可以架构于图1所示的结构中，但在其他实施例中也可以不包括图1所示的其他结构、或可以替换图1所示的其他结构，在此不作限定。其中，第一加速度计2a、第二加速度计2b、第三加速度计2c可以采用石英挠性加速度计或其他类型的加速度计、或其组合进行配置使用。进一步而言，可以采用μg精度级别或低于μg精度级别的加速度计，在此不作限定。在本实施例中，第一加速度计2a、第二加速度计2b和第三加速度计2c的敏感轴分别相互正交设置，不难看出，在初始状态时，第一加速度计2a的敏感轴平行于图1所示的X轴，第二加速度计2b的敏感轴平行于图1所示的Y轴,第三加速度计2c的敏感轴平行于图1所示的Z轴。温控模块用于提供恒温空间，以设置所述第一加速度计2a、第二加速度计2b和第三加速度计2c，亦即是说，温控模块可以构成相对密封以易于控制的恒温、可调的收容空间，以降低温度变化所造成的影响。其中，恒温空间可以为多边体型、也可以为球型等。在本实施例中，所述第一加速度计2a、第二加速度计2b、第三加速度计2c均设于所述磁屏蔽模块5所形成的磁屏蔽空间内，磁屏蔽模块5用于屏蔽环境磁场的波动，避免磁场变化所造成的影响。相类似地，磁屏蔽空间可以为多边体型、也可以为球型等。需要说明的是，温控模块可以设于磁屏蔽空间内，反而言之，磁屏蔽模块5也可以设于温控模块提供的恒温空间内。作为其中一种实施例，在图1中，所述倾角检测装置还包括底座7和框架1，所述底座7与所述磁屏蔽模块5连接设置并构成所述磁屏蔽空间，所述框架1设置于所述底座7上，所述第一加速度计2a、第二加速度计2b和第三加速度计2c设置于所述框架1上。需要说明的是，所述底座7与所述磁屏蔽模块5可以一体成型，也可以独立加工，底座7可以采用金属材料制得，也可以采用非金属材料。在具体的实施例中，所述底座7与所述磁屏蔽模块5可以形成长方体、也可以形成球体，在此不作限定。值得注意的是，本实施例的所述温控模块包括但不限于紧邻所述第一加速度计2a、第二加速度计2b和第三加速度计2c设置的温度传感器(未标示)、加热单元3，以及，设于所述温度传感器与所述磁屏蔽模块5之间的保温绝热层4。其中，加热单元3可以采用加热丝或者加热片等方式。需要说明的是，保温绝热层4可以形成相对密封的空间以收容所述第一加速度计2a、第二加速度计2b、第三加速度计2c、温度传感器以及加热单元3。其中，温度传感器以及加热单元3可以分布于框架1的外层。在本实施例中，所述倾角检测装置还包括温度控制器，譬如采用PI控制器与所述温控模块相连接，当然，本实施例还可以采用其他主动温控方式的控制器，在此不作限定。需要说明的是，本实施例的PI控制器为线性控制器，其可以根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。上述实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种倾角检测装置，其特征在于，所述倾角检测装置包括：敏感轴相互正交设置的第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计；温控模块，用于提供恒温空间，以设置所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计；磁屏蔽模块，用于屏蔽环境磁场的波动，所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计均设于所述磁屏蔽模块所形成的磁屏蔽空间内。

【技术特征摘要】
1.一种倾角检测装置，其特征在于，所述倾角检测装置包括：敏感轴相互正交设置的第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计；温控模块，用于提供恒温空间，以设置所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计；磁屏蔽模块，用于屏蔽环境磁场的波动，所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计均设于所述磁屏蔽模块所形成的磁屏蔽空间内。2.根据权利要求1所述的倾角检测装置，其特征在于，所述倾角检测装置还包括：底座，与所述磁屏蔽模块和温控模块连接；框架，设置于所述底座上，所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计设置于所述框架上。3.根据权利要求2所述的倾角检测装置，其特征在于，所述倾角检测装置还包括伺服电路，所述伺服电路所采用的角度解算方法包括：其中，定义第一加速度计的敏感轴所在的轴为X轴且垂直于所述底座所在的平面，定义第二加速度计和第三加速度计的敏感轴所在的轴分别为Y轴和Z轴，ax、ay、az分别为第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计在倾角检测装置相对于初始水平面发生变化时的对应测量值，α、β分别为第二加速度计和第三加速度计的敏感轴相对于所述初始水平面的倾角；其中，定义所述底座所在的平面初始时平行于所述初始水平面，γ为所述底座相对于所...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂海波，田蔚，梁星辉，何建刚，柳林涛，
申请(专利权)人：中国科学院测量与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42