0 引言
传统的倾角仪基于水泡式测量,其检测方法是“水泡移动,肉眼分辨”。其缺点就是人为因素大,测量误差大。电子倾角仪大多基于“摆”的工作 原理,即利用重力场内“摆”力 图保持在铅垂方向的特性来设计各种倾角仪,电位器式、应变式、电容式、电感式倾角传感器都是利用固体摆锤将倾角变换成相 应的电阻、应变、电容或电感量的变化,通过信号处理电 路,输出电压信号或频率信号。 (前人研究进展)由于多方面的原因,这些倾角传感器都不同程度地存在以下的不足:结构复杂、制造工艺难度大、测量范围小、瞬态响应差、稳定速度慢等 。所以本倾角仪利用光电编码器直接把摆的转动转化为数字信号进行处理。数字倾角仪具有测量精度高,读数稳定、速度快,可快速、重复测量等优点,并且 数字化也是现代测试技术与仪器的发展趋势。
普通的单摆式倾角仪,必须等摆处于稳定位置时才能得出正确的结果,它们大多仅适用于静态测量,不适合装在车、船上进行连续动态实时测量。在对连 续变化的倾角进行动态测量时,倾角仪必须具有很好的瞬态响应,需要给固体摆提供阻尼,以尽快消除自由摆动,常见的方法是采用硅油阻尼。中国专利 cn2031913u提出的一种测量铁路左右钢轨高差手推车式的测量 装置,就对摆锤———差动变压器式倾角仪进行了改进,具体措施就是使用了空气阻 尼,空气活塞可能因前后晃动或颤动与壳体接触影响正确测量,这一系统的结构较复杂,制造工艺难度大。文献[3]提出了一种基于加速度传感器和单片机实现的 数字倾角仪,具有分辨率高、测量范围大等优点,但瞬态性能较差、稳定速度较慢,只能实现静态测量,无法实现对变化的倾角的测量。
本文提供了一种对“摆”使用磁电阻尼和直接采用数字信号测量摆角的改进方法,能够快速消除残余摆动,并直接将摆动转换成数字信号进行测量,利用 dsp技术对信号进行细 分。与利用单片机实现的测量方法[3]相比具有精度高、能直接测量动态倾角等优点。比如摆式列车中对列车倾角的测量。倾角仪 现已在很多场合得到了广泛的应用,比如采用倾角 仪测量桥梁的静态挠度、利用倾角仪监测高大建筑物的变形,以及对加速度的测量等。所以,对 倾角仪的研究是具有实际意义和工程价值的,尤其是提出一种具有良好的瞬态性能 的倾角仪。
1 倾角仪的设计思想
倾角仪的原理及设计见图1,图中分别为正面视图(左)和左侧剖视图(右)。图中, 1为重力摆片,由于重力作用会保持铅垂位置; 2为磁铁,固定在u形铁上; 3为摆杆,用来连接摆片和编码器。光电编码器为增量式编码器,利用它可测出摆杆转动过的角度。
本数字倾角仪由底座、支架、光电编码器及其固定角铁、摆杆和摆片、磁钢、u形铁、电子线路板以及外壳组成。其结构是在底座上固定一个门字形支 架,编码器通过角铁用螺栓固定在支架上,摆杆的上端固定在编码器的转轴上,摆角就由光电编码器直接转换成数字信号。摆杆下端连接摆片,摆片由不导磁金属板 做成特定形状并适当安装。u形铁连同固定在其 端部内侧的两个磁钢固定在底座上。相比最初的方案,摆片和u形铁这样布置,以使摆片在整个工作范围内处于 u形磁路气隙中间,摆片摆动切割磁力线,其内部产生涡流,涡流在磁场受到磁力的作用,对摆动产生阻尼,使摆稳定。如果摆片未稳定到平衡位置,摆片受到重力 作用,而摆片在静止状态时磁阻尼消失,就会促使摆片继续运动,运动就会切割磁力线,进而产生涡流,磁阻尼就会存在,这样就使得摆片会尽快稳定到平衡位置 (铅垂位置)。
当摆片稳定到铅垂方向后,达到平衡状态,摆片静止,这时不存在任何阻尼,所以不会因为磁阻尼消耗了摆片的能量,而使得测量存在较大的误差。
以前的数字倾角仪采用的给摆锤提供阻尼的方法有很多种,比如靠摩擦来稳定摆锤,由于摆片静止时也会受到阻力的作用,会使摆锤静止到非铅垂位置而 造成测量不准确。或者采 用硅油提供阻尼,也会因摆锤能量被消耗而使摆锤的平衡位置与实际铅垂位置有所偏离,使得测量具有一定的误差。由此可见,采用磁 阻尼的优点,这也是本倾角仪的创新点所在。
2 tms320lf240x系列dsp简介
tms320系列dsp的体系结构是专为实时信号处理设计,集实时处理能力和控制器外设功能于一身。tms320lf240x系列dsp是其中 的16位定点dsp,采用了高性能静态cmos技术,使得供电电压降为3·3v,并且可根据需要对硬件功能进行剪裁,使不需要使用的部分处于休眠状态以减 小芯片的功耗,适合嵌入式应用的需求。240x系列dsp控制器最高速度可达30mips,指令周期仅为33ns,能适应实时系统的需求。采用了增强的哈 佛结构和流水线操作及独立的硬件乘法器,进一步提高了实时信号处理的速度。
具有两个事件管理器模块eva和evb,每个包括两个l6位通用定时器; 8个16位的脉宽调制(pwm)通道。它们能够实现:三相反相器控制; pwm的对称和非对称波形;片内光电编码器接口电路; 16通道a/d转换器等。本倾角仪需要利用事件管理器模块的片内光电编码器接口电路来对正交编码脉冲信号进行处理和计数。
3 测量仪的信号处理
光电编码器的信号分a相、b相和z相,其中a、b相组成正交编码脉冲信号, z相会在固定位置发出一个脉冲, 可用来对系统进行清零复位操作。利用光电编码器的a、b相正交编码脉冲信号可测量出单摆的转动角度和转动方向,光电编码器与dsp的接线图如图2所示。
光电编码器的a相、b相分别连接到dsp的qep1和qep2引脚, qep1和qep2引脚属于lf240x的事件管理器模块eva,分别与捕获引脚cap1 (iopa3)和cap2(iopa4)引脚复用,所以需要对相应的寄存器进行配置,才能使引脚工作在正交编码脉冲计数状态。设置好相应的寄存器之后,对 qep1和qep2引脚分别输入正交编码脉冲的a相和b相, dsp芯片就可以直接进行计数和处理了。根据两个引脚上的正交编码脉冲信号,超前π/2的信号出现的引脚位置来决定是进行加计数还是减计数。在进行测量之 前,需要对计数器进行清零操作。dsp的程序流程图如图3所示。
4 实验结果
把倾角仪放在各种已知精确倾斜度数的斜面上进行测试,所得实验结果如表1所示。表中角度单位为度。
5 结论
本倾角仪可测量±45°范围内的任意倾角,对本倾角仪进行以上实验的调试,结果发现,本倾角仪误差小于±0·07%, 可在0·5s之内稳定到精确读数。