一种适用于旋转轴平行于水平面的物体旋转角度测量方法

摘要

本发明公开了一种适用于旋转轴平行于水平面的物体旋转角度测量方法，使用双轴角度传感器可以同时测出被测物体任意两个垂直方向的旋转角度，通常情况下，传感器都被要求平行放置于旋转轴，本发明中，在双轴角度传感器不平行于旋转轴的情况下，物体旋转角度也可以被精确测出。该方法测量中使用两个垂直放置的双轴角度传感器，起到相互矫正并提高精度的作用，在旋转轴平行于水平面的情况下可以不用找物体的旋转轴直接对旋转物体进行测量，很大程度上降低了由人工找旋转轴找的不够准确带来的误差。采用两个垂直放置的双轴角度传感器，在开始测量时先对传感器进行校正，在数据处理时对两个双轴角度传感器的测量值进行平均处理，提高了测量精度。

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种适用于旋转轴平行于水平面的物体旋转角度测量方法，在不要求角度传感器轴线平行于旋转轴的情况下可以迅速测得物体真实旋转角度，在测量中免去找旋转轴的步骤，提高角度测量工作的效率及测量时的精度。

背景技术

目前，很多应用场合都需要使用角度传感器进行较高精度的旋转角度测量，但角度传感器在安装时必须要平行于物体旋转轴线，而很多由人工安装的测量系统不能使得角度传感器轴线与物体旋转轴线绝对平行，带来很大误差。本发明的这种设计，在物体旋转轴线与水平面平行的情况下不要求传感器轴线与物体旋转轴线平行，减小了测量时由于传感器位置放置不当产生的误差。

发明内容

本发明提出了一种角度测量系统，该系统在旋转轴平行于水平面时角度传感器轴线可以不平行于转轴，简化了传感器的安装过程，能够实现对角度的实时高精度的监测。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种适用于旋转轴平行于水平面的物体旋转角度测量方法，该方法步骤如下：

步骤一：两个双轴角度传感器安装在被测物体上，双轴角度传感器1的X轴与双轴角度传感器2的X₁轴平行，然后对两个双轴角度传感器进行校正，观察显示箱体上数码管显示的两个双轴角度传感器输出值，当两个双轴角度传感器对应方向输出的测量值相等时，开始正式测量；

步骤二：开始进行角度测量，平面ABC为被测物体旋转前所在平面，平面ABC过A点、B点和C点，过B点和C点的直线BC为旋转轴线，A点为被测物体旋转前所在平面的一点，D点为被测物体旋转结束所在平面的一点，平面BDC为被测物体旋转后所在平面，平面BDC过D点、B点和C点，过A点和D点的直线AD为从D点垂直于平面ABC的垂线，DH为三角形DBC的高，可知双轴角度传感器所测得的两个垂直方向上的夹角为α₁角和α₂角，角度DHA即为被测物体真实旋转角α，可由角度传感器测出角度α₁角和α₂角计算出真实旋转角α；其中A点是物体测量点，BC为平行于水平面的转轴，平面ABC是物体所在原平面，DBC面为物体旋转一定角度之后的平面，α₁角和α₂角分别为传感器测出的两个任意垂直方向的倾斜角，三角形DBC为直角三角形，DA垂直于平面ABC，DH垂直于转轴，即DH为三角形DBC的高，根据三角形相似原理和勾股定理可以由α₁角和α₂角计算出角度DHA，即为物体的真实旋转角α；

步骤三：两个双轴角度传感器将4组模拟量测量值传送给模数转换器ADC进行数模转换，模数转换器ADC进行数模转换后再传送给DSP进行处理。DSP将双轴角度传感器1在X方向的测量值同双轴角度传感器2在X₁方向的测量值做平均，同时将双轴角度传感器2在Y方向的测量值同双轴角度传感器2在Y₂方向的测量值做平均，可以得到两组两个相互垂直方向的测量值，再在DSP中进行计算得到一组被测物体的真实旋转角度值，对这组角度值进行分组，去掉每一组的最大值和最小值进行平滑滤波得到最终角度值，将这组值传给上位机；

步骤四：上位机接收到下位机传送的角度值进行实时波形显示，并存储，再根据角度值的反馈对整个系统做进一步的调整。

更进一步的，在测量中放置两个双轴角度传感器时，双轴角度传感器的轴线不用平行于物体旋转轴，直接通过两个垂直放置的双轴角度传感器所测出的任意两个相互垂直方向的旋转角度推算出真实的旋转角度，传感器输出为模拟信号，将该模拟信号进行数模转化后传送给DSP，进行数据处理恢复为物体真正旋转角度，最后通过RS232串口通信将角度值传送给PC端进行下一步实时显示存储等处理。

更进一步的，在测量中将双轴角度传感器1的X方向垂直放置于双轴角度传感器2的Y方向，这样可以在测量开始的时候校正传感器，后期数据处理时取平均值，提高数据精度，由于两个双轴角度传感器垂直放置，且每个传感测出的两个方向相互垂直，双轴角度传感器1在X方向测出的值和双轴角度传感器2在X₁方向测出的值相同，双轴角度传感器2在Y方向测出的值和双轴角度传感器1在Y₁方向测出的值相同。

更进一步的，双轴角度传感器输出使用电流输出，对其使用高精度电阻转化为电压再进行数模转化，双轴角度传感器直接使用数字输出会使频率固定，但使用模拟输出数模转化时的采样频率可以自定义，所以可以取较高的采样频率便于后期处理。

更进一步的，在DSP下位机端直接完成对数据的基本处理，将采样之后的数据传送给DSP，DSP先将得到的四组采样值两两取平均，即双轴角度传感器1在X方向测量得到的值和双轴角度传感器2在X₁方向的值进行平均，双轴角度传感器1在Y方向测量得到的值和双轴角度传感器2在Y₁方向的值进行平均，得到两组值；之后，在DSP中计算出物体真实旋转角度值，再对其取n个为一组进行平滑滤波，即去掉每一组倾斜角度值中的最大值和最小值然后求平均，得到最终输出值，把该值通过RS232串口通信传入上位机。

更进一步的，所述的DSP模块由TI公司出产，拥有150MHz的时钟、串口通信和中断处理模块，利用DSP的高速运算能力及灵活的可编程能力，可以快速处理高频率采样带来的很多数据。

更进一步的，上位机在接收到旋转角度数值后会在程序上实时显示角度-时间的二维坐标图像，上位机程序使用C#语言编写，调用excel可直接对接收到的数据进行存储。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明在旋转轴平行于水平面的情况下可以不用找物体的旋转轴直接对旋转物体进行测量，很大程度上降低了由人工找旋转轴找的不够准确带来的误差。

(2)、本发明采用两个垂直放置的双轴角度传感器，在开始测量时先对传感器进行校正，在数据处理时对两个双轴角度传感器的测量值进行平均处理，提高了测量精度。

(3)、本发明充分利用DSP的高速数据处理能力，将数据处理任务都交给下位机DSP做，减轻了上位机工作负担，有效提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明一种适用于转轴平行于水平面的角度测量系统测量原理图；

图2为本发明数据处理流程图；

图3为本发明角度测量系统整体结构图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图做进一步的详细描述。

一种适用于旋转轴平行于水平面的物体倾斜角度测量方法，具体步骤如下：

步骤一：将两个双轴角度传感器按照图1所示安装在被测物体上，保证双轴角度传感器1的X轴与双轴角度传感器2的X₁轴平行，通过外置架子来保证垂直，然后观察显示箱体上数码管显示的两个双轴角度传感器的输出读数，当两个双轴角度传感器的对应方向读数相等时两个双轴角度传感器初始对准成功；

步骤二：将两个双轴角度传感器输出的4路模拟信号接收至ADC进行数模转化，转化时的采样频率设置较高，将转化结果的四组值传入DSP进行处理，两个角度传感器对应测量方向的值进行平均得到两组两个方向的角度值。再根据原理图2的原理将物体最终绕旋转轴旋转的角度计算出，得出一组角度值，最后将这组角度值分组，去掉每组中的最大值和最小值进行平均，进行均值滤波，得到最终要传给上位机的这组角度值；

步骤三：上位机接收到角度值后，再用C#语言编写的上位机程序上以角度—时间的二位坐标图实时显示，并将数据以excel格式保存在上位机硬盘中，方便后续处理。

图1是关于适用于转轴平行于水平面的角度测量系统测量原理图，其中ABC为物体未旋转之前的原始平面，BC为平行于水平面的转轴，BDC平面为物体旋转之后的平面，角度传感器组件将会被安装在A的位置，旋转之后为D位置。双轴角度传感器可以测量出物体绕两个相互垂直方向的转轴的夹角，α₁角即角DBA为测量出的一个方向的夹角，α₂角即角DCA为测量出的第二个方向的夹角，三角形DBC为直角三角形。直线AD是从D点出发垂直于平面ABC的垂线，DH时三角形BC的高。角度α即角DHA为该物体真实旋转角度，现在已知双轴角度传感器测出的两个垂直方向的角，α₁和α₂，求物体旋转的真实角度α：

由DA垂直于ABC平面，所以三角形DAB和三角形DAC都为直角三角形，有：

且三角形DBC为直角三角形，DH为直角三角形的高，根据三角形相似原理有：

由勾股定理有：

则，

有，

由以上推理可知，在被测物体旋转轴平行于水平面的情况下，不要求双轴角度传感器轴线平行于物体旋转轴，可以从双轴角度传感器测量出的两个垂直方向的角度恢复出物体旋转的真实角度。

总体上，本发明所述的适用于旋转轴平行于水平面的物体旋转角度测量系统能够达到较高测量精度，且实施方便，能够有效的减小旋转轴平行于水平面的角度测量系统由于传感器放置位置产生的误差。

本发明未详细阐述的内容属于本发明领域人员所公知的技术。