摘要：零位偏差和漂移是所有傾(qing) 角傳(chuan) 感器都待解決(jue) 的技術難題。本文通過水泡尺旋轉180º找平的古老方法深入研究傳(chuan) 感器的調平原理，建立一套傾(qing) 角傳(chuan) 感器自動調零的理論和方法。采用步進電機和單片機控製技術設計實現自動調零伺服傾(qing) 角傳(chuan) 感器，很好的解決(jue) 了零位偏差，時間漂移和溫度漂移等問題，使傾(qing) 角傳(chuan) 感器的性能得到提高，具有非常重要的應用價(jia) 值。
關(guan) 鍵詞：自動調零；伺服；傾(qing) 角傳(chuan) 感器；零位偏差；漂移

一、引言

傾(qing) 角傳(chuan) 感器是測量關(guan) 於(yu) 水平麵的傾(qing) 斜角的裝置，在土木建築、水文地質、兵器、航空航天、生物醫學等工程技術領域有著廣泛的用途。傾(qing) 角傳(chuan) 感器種類繁多，按照其工作原理可以分為(wei) “固體(ti) 擺”式，“液體(ti) 擺”式，“氣體(ti) 擺”式三種傾(qing) 角傳(chuan) 感器。對於(yu) 固體(ti) 擺式傾(qing) 角傳(chuan) 感器的研究已經比較成熟，且應用廣泛，但其易受外界幹擾，如機械振動衝(chong) 擊；而液體(ti) 擺式傾(qing) 角傳(chuan) 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(hui) 嚴(yan) 重影響其工作特性，從(cong) 而限製了液體(ti) 擺式傾(qing) 角傳(chuan) 感器的發展和應用；氣體(ti) 擺式傾(qing) 角傳(chuan) 感器結構簡單，抗振動和抗衝(chong) 擊能力強，但其受環境溫度影響較大，測試精度不高。總之，現有的傾(qing) 角傳(chuan) 感器的精度需要較高的成本來提高，並存在零位偏差，時間漂移和溫度漂移等問題。

針對上述問題本文設計了一種基於(yu) 自動調零理論的自動調零伺服傾(qing) 角傳(chuan) 感器，其基本思想源於(yu) 木匠和建築者使用的利用水泡尺旋轉180°找平的古老方法，並采用步進電機及單片機控製技術設計和實現。這種自動調零伺服傾(qing) 角傳(chuan) 感器能很好的解決(jue) 零位偏差，時間漂移和溫度漂移等問題，使傾(qing) 角傳(chuan) 感器的性能得到了提高，具有非常重要的應用價(jia) 值。

二、理論基礎

自動調零伺服傾(qing) 角傳(chuan) 感器是設計用來校正各種來源的零位偏差和漂移。其基本思想來源於(yu) 木匠和建築者使用的利用水泡尺在被測物體(ti) 表麵旋轉180º來找平的古老方法。如果水泡顯示了相同的結果就表示工作正常，否則就指示一個(ge) 等於(yu) 水泡頂點位置差額的一半的錯誤。在本文的應用中，伺服傾(qing) 角傳(chuan) 感器位於(yu) 一個(ge) 輸入軸IA平行於(yu) 其表麵的旋轉圓盤上，當要執行偏移校正操作時可以直接旋轉180º到圓盤的相反位置上，如圖1所示。

圖1伺服傾(qing) 角計的零位偏差不依賴於(yu) 傳(chuan) 感器的位置。因此，當附於(yu) 水平旋轉圓盤上的傳(chuan) 感器轉到兩(liang) 個(ge) 不同位置時，其輸出將不會(hui) 改變。

傾(qing) 角傳(chuan) 感器在零輸入（傾(qing) 角傳(chuan) 感器的底座位於(yu) 絕對水平的表麵上）時的輸出由兩(liang) 部分組成：

（1）偏移誤差VB定義(yi) 為(wei) 不依賴於(yu) 傾(qing) 角傳(chuan) 感器位置的輸出。
（2）未對準誤差角e主要是由於(yu) 傾(qing) 角傳(chuan) 感器的底座沒有與(yu) 測量軸線絕對平行而造成的。這樣就引起了一個(ge) 與(yu) 未對準角度成比例的輸出電壓Ve（對於(yu) 很小的角度來說，sine≈e）。

如果圖1中的旋轉底座在一個(ge) 絕對水平的平麵上，則很明顯在兩(liang) 個(ge) 位置上傾(qing) 角傳(chuan) 感器的偏移誤差輸出VB和未對準誤差輸出Ve的輸出和為(wei) ：

Vo=VB+Ve。（1）

假設旋轉底座相對於(yu) Y軸傾(qing) 斜了角度φ，則分析過程如下，如圖2所示。

很明顯圖2所示的旋轉傳(chuan) 感器時，角度φ在這兩(liang) 個(ge) 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）

最後，位置1和位置2的輸出相減（V1-V2=2Vφ）即可得到結果：

一般來說，從(cong) 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(cong) 而可以得到真實的角度。事實上，這就是自動調零的作用。要把這些理論應用於(yu) 實踐，以下的基本條件必須滿足：

（1）在位置2時的旋轉圓盤的表麵必須與(yu) 位置1的表麵平行。
（2）因為(wei) 傾(qing) 角傳(chuan) 感器事實上是一個(ge) 加速度計，所以在執行誤差校正操作時儀(yi) 器必須靜止，而且要盡量避免震動。
（3）在測量位置的讀數應該在傾(qing) 角傳(chuan) 感器的輸出達到平衡狀態時讀取。

三、係統工作原理和結構

根據上麵提出的自動調零的理論基礎，要實現傾(qing) 角傳(chuan) 感器的自動調零，傾(qing) 角傳(chuan) 感器需要精確旋轉180º。經過對各種微電機的比較，選用易於(yu) 進行精確控製的步進電機來實現平台的旋轉，然後將傾(qing) 角傳(chuan) 感器精確地安裝在此平台上。傾(qing) 角傳(chuan) 感器在兩(liang) 個(ge) 相反位置上的讀數需要用足夠位數、精度和響應速度的A/D轉換器進行轉換，最後利用單片機存儲(chu) 和計算最終結果。其數字輸出結果通過RS-232或者其他形式進行輸出，如圖3所示。