專利名稱：基于加速度計(jì)的傾斜傳感器和使用該傾斜傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傾角計(jì)或傾斜傳感器，具體來說，涉及一基于加速度計(jì)的傾斜傳感器和使用該傾斜傳感器的方法。
背景技術(shù)：
加速度計(jì)通常安裝在各種裝置上，并用來測(cè)量裝置相對(duì)于水平軸線的傾斜度。加速度計(jì)在重力加速度下起作用并檢測(cè)重力場(chǎng)中的偏位。具體來說，當(dāng)一加速度計(jì)相對(duì)于水平軸線傾斜某一角度時(shí)，作用在加速度計(jì)上的重力的垂直分量發(fā)生變化，導(dǎo)致加速度計(jì)內(nèi)的電子部件不同地反應(yīng)，并變化加速度計(jì)的輸出讀數(shù)。某些加速度計(jì)利用—壓電晶體和—質(zhì)量，由此，傾斜角的變化導(dǎo)致質(zhì)量在壓電晶體上施加變化的壓力，這就產(chǎn)生輸出信號(hào)。在其它的加速度計(jì)中，使用一電容器和電阻器來有效地形成一質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，由此，輸出信號(hào)在重力作用下隨傾斜角而變化。
傳統(tǒng)的基于傾斜傳感器的加速度計(jì)對(duì)每一轉(zhuǎn)動(dòng)軸線使用一單獨(dú)的加速度計(jì)。例如，一典型的雙軸線傾斜傳感器利用兩個(gè)加速度計(jì)。為了糾正誤差的目的，通常對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線使用一附加的加速度計(jì)。換句話說，為了讓雙軸線傾斜傳感器實(shí)現(xiàn)冗余性，需要四個(gè)加速度計(jì)。
傳統(tǒng)的基于傾斜傳感器的加速度計(jì)的一個(gè)缺點(diǎn)在于，它通常難于確定裝置是否合適地發(fā)揮了功能。許多基于傾斜傳感器的加速度計(jì)已安裝了能驗(yàn)證加速度計(jì)合適功能的自檢模式。這些自檢模式的弱點(diǎn)在于，在自檢模式的時(shí)候加速度計(jì)對(duì)于傾斜不能作出反應(yīng)。
傳統(tǒng)傾斜傳感器的另一缺點(diǎn)在于，在安裝過程中，它通常難于精確地將加速度計(jì)的坐標(biāo)系統(tǒng)與要求測(cè)量的坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)齊。通常這樣的精確度需要復(fù)雜的制造過程。制造商常相對(duì)于最終組裝好的產(chǎn)品保持加速度計(jì)軸線方向的精確控制。然而，要在加速度計(jì)和最終產(chǎn)品的安裝點(diǎn)之間保持相同水平的精度較為困難。與加速度計(jì)測(cè)量軸線對(duì)齊不準(zhǔn)會(huì)降低沿要求方向的靈敏度而增加橫軸的靈敏度，它是對(duì)于沿正交于要求測(cè)量軸線方向的加速度的靈敏度。
傳統(tǒng)傾斜傳感器的還有另一缺點(diǎn)在于，如果在不改變物理設(shè)計(jì)使它能用于具有不同坐標(biāo)系統(tǒng)的各種應(yīng)用的情形下，不是不能改變最終組裝好的產(chǎn)品的坐標(biāo)系統(tǒng)的話，則這是困難的?？蓽y(cè)量?jī)A斜的最終產(chǎn)品可用于許多各具有其自己坐標(biāo)系統(tǒng)的不同的產(chǎn)品中。因此，傾斜傳感器所要求的安裝部位和定向可能需要改變。由于這些可能性，所以，通常需要改變坐標(biāo)系統(tǒng)而不變化該傾斜傳感器。
因此，本發(fā)明的一主要目的是提供一基于傾斜傳感器的加速度計(jì)，其允許在正常操作過程中進(jìn)行誤差探測(cè)。
本發(fā)明的另一主要目的是提供一傾斜傳感器，其能容易地對(duì)齊于和安裝在一裝置上，而不需復(fù)雜的制造過程或?qū)A斜傳感器部件的調(diào)整。
上述的和其它的目的對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員是很顯然的。

發(fā)明內(nèi)容
提供一傾斜傳感器，由此，傾斜傳感器具有安裝在一底部上并定位在一公共平面內(nèi)的至少三個(gè)加速度計(jì)。較佳地，加速度計(jì)圍繞該公共平面的原點(diǎn)等距離地間隔開，相對(duì)于彼此大約間隔120°角。此外，第一加速度計(jì)較佳地相對(duì)于公共平面的其中一個(gè)軸線定位在45°角處。
還提供一使用傾斜傳感器根據(jù)加速度計(jì)的讀數(shù)來確定傾斜角的方法。
附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1是一基于本發(fā)明的傾斜傳感器的加速度計(jì)的平面圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，提供一傾斜傳感器10，其具有一用來固定到一最終組裝產(chǎn)品上的底板12，所述最終組裝產(chǎn)品諸如重型機(jī)械，或在一簡(jiǎn)化的應(yīng)用中諸如木匠的水平儀。底板12可包括一外殼(未示出)，并可由本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的任何傳統(tǒng)材料制成。
如圖1所示，至少三個(gè)加速度計(jì)14、16和18安裝在底板12上。本發(fā)明考慮可使用附加的加速度計(jì)來用于冗余設(shè)計(jì)或可檢測(cè)兩個(gè)以上方向的傾斜。此外，加速度計(jì)14-18包括任何類型的基于力的加速度計(jì)，它們檢測(cè)帶有傾斜度的重力的偏移。
加速度計(jì)14-18定位在一公共平面內(nèi)，例如，一X-Y平面。盡管X和Y軸通常與平行于水平方向的那些軸線相關(guān)，但本發(fā)明考慮可以是任何軸線的定向，包括一Z軸或垂直軸線。較佳地，如圖1所示，加速度計(jì)14-18圍繞公共平面的原點(diǎn)等距離地間隔，以使加速度計(jì)14-18彼此大約間隔120°。此外，加速度計(jì)14-18較佳地定位成第一加速度計(jì)14相對(duì)于X軸成大約45°角，圖1中用角Θ表示。加速度計(jì)14-18相對(duì)于彼此固定，以使所有三個(gè)都經(jīng)受相同的重力加速度。
諸如加速度計(jì)14和16的兩個(gè)加速度計(jì)足以用來測(cè)量圍繞X和Y軸的傾斜。添加的第三個(gè)加速度計(jì)18提供沿兩個(gè)方向的冗余性，其可用于加速度計(jì)讀數(shù)中的誤差探測(cè)。利用加速度計(jì)14-18，三個(gè)加速度計(jì)讀數(shù)的代數(shù)和總等于零。一非零的總和表示一誤差，或在一個(gè)或多個(gè)三個(gè)讀數(shù)中的誤差項(xiàng)，因此可指示一有誤差的加速度計(jì)。
因?yàn)橥ǔ５闹圃齑嬖诠?，所以，不可能總是如圖1所示準(zhǔn)確地進(jìn)行定位，且各加速度計(jì)的靈敏度不可能如所期望的那樣準(zhǔn)確。這樣，在求和之前，各個(gè)讀數(shù)需要用一常數(shù)乘子進(jìn)行換算。此外，加速度計(jì)14-18對(duì)沿Z軸或垂直軸線的加速度計(jì)可具有某種靈敏度。對(duì)于小于25°的傾斜角，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，沿Z軸的重力分量的變化不超過10％，于是可作為一常數(shù)處理。因此，加速度計(jì)讀數(shù)之和加上一常數(shù)，在一寬的傾斜范圍上幾乎等于零。如果該和超過一預(yù)定的閾值，則對(duì)一個(gè)或多個(gè)加速度計(jì)可能有一誤差。
在實(shí)踐中，當(dāng)傾斜傳感器10相對(duì)于水平方向傾斜時(shí)，加速度計(jì)14-18檢測(cè)重力中的偏移。這樣，加速度計(jì)14-18的讀數(shù)隨傾斜傳感器10的傾斜角而變化。從這些讀數(shù)中，可計(jì)算加速度的X和Y分量，然后，它們用來推導(dǎo)出傾斜角。具體來說，通過三個(gè)加速度計(jì)讀數(shù)的加權(quán)的和加上一常數(shù)Cx，可求得加速度的X分量Ax，或者是Ax＝Cx+A1Cx1+A2Cx2+A3Cx3其中，A1是加速度計(jì)14的讀數(shù)，A2是加速度計(jì)16的讀數(shù)，A3是加速度計(jì)18的讀數(shù)，Cx1是加速度計(jì)14的加權(quán)系數(shù)，Cx2是加速度計(jì)16的加權(quán)系數(shù)，Cx3是加速度計(jì)18的加權(quán)系數(shù)。本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將會(huì)理解到，A1Cx1的相乘形成一加權(quán)的加速度值。通過三個(gè)加速度計(jì)讀數(shù)的不同的加權(quán)的和加上一不同的常數(shù)Cy，可求得加速度的Y分量Ay，或者是Ay＝Cy+A1Cy1+A2Cy2+A3Cy3因?yàn)樵谥圃爝^程中的對(duì)齊不準(zhǔn)，所以，難于知道諸加速度計(jì)的實(shí)際定向，于是，為求得最大的精確度，對(duì)于每個(gè)加速度計(jì)的加權(quán)系數(shù)和常數(shù)可用實(shí)驗(yàn)方法予以確定。具體來說，在傳感器10已經(jīng)制造好之后，實(shí)驗(yàn)可產(chǎn)生最佳的結(jié)果。在求得加速度Ax和Ay之后，則使用一反正弦函數(shù)將加速度轉(zhuǎn)換為相對(duì)于X和Y軸的傾斜角。
使用多個(gè)加速度計(jì)讀數(shù)的加權(quán)的和來求沿一單一軸的加速度的這種方法，可容易地加以擴(kuò)大來適應(yīng)任何數(shù)量的附加的加速度計(jì)。
使用四個(gè)加速度計(jì)可提供使用三個(gè)的所有優(yōu)點(diǎn)，但也可提供足夠的信息來確定在一單一加速度計(jì)失效的情形中那一個(gè)加速度計(jì)是故障的。如果安裝四個(gè)加速度計(jì)，每隔45°安裝在0°、45°、90°和135°處，則可使用任何兩個(gè)來求沿X和Y方向的傾斜角，而可使用任何三個(gè)來求傾斜角和探測(cè)誤差。四個(gè)加速度計(jì)給出四個(gè)獨(dú)特組的三個(gè)加速度計(jì)。如果一單一加速度計(jì)失效，則這四組之一將不包含故障的讀數(shù)并可用來獲得對(duì)于X和Y軸的正確的加速度值。其它三組將都包含故障的讀數(shù)，并將指示誤差且應(yīng)予以忽略。使用四個(gè)以此方式的加速度計(jì)可提供誤差的探測(cè)，并在一單一加速度計(jì)失效的情形中提供糾正。即使有一單一的加速度計(jì)失效，也仍可提供誤差探測(cè)，其驗(yàn)證其余三個(gè)加速度計(jì)發(fā)揮功能正常。
通過調(diào)整用來計(jì)算沿X和Y方向的加速度的系數(shù)和常數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)X和Y軸定向的改變。這樣，加速度計(jì)14-18中沒有一個(gè)需要改變或調(diào)整。唯一的限制在于，新的X-Y平面必須保持平行于加速度計(jì)14-18所安裝的平面。
由此可見，通過利用對(duì)齊在一公共平面內(nèi)的三個(gè)加速度計(jì)，本發(fā)明提供了在正常操作過程中沿兩個(gè)方向的冗余性，由此，減少所使用的部件數(shù)量并不再需要復(fù)雜的制造過程。
權(quán)利要求
1.一具有一底板的傾斜傳感器，包括安裝在底板上并定位在一公共平面內(nèi)的至少三個(gè)加速度計(jì)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，諸加速度計(jì)相對(duì)于彼此以120°角度安裝。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，平面具有兩條彼此成直角設(shè)置的相交軸。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，其中一個(gè)加速度計(jì)相對(duì)于一條軸成45°角安裝。
5.一測(cè)量?jī)A斜角的方法，包括以下步驟提供安裝在一底板上一公共平面內(nèi)的至少三個(gè)加速度計(jì)；探測(cè)各個(gè)加速度計(jì)上的重力加速度；根據(jù)探測(cè)得的加速度計(jì)算傾斜度。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟確定一誤差項(xiàng)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，通過計(jì)算加速度計(jì)檢測(cè)的加速度的加權(quán)的和加上一常數(shù)來求得該誤差項(xiàng)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在裝置制造之后用加速度計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后確定加權(quán)的和及常數(shù)。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，根據(jù)檢測(cè)的加速度計(jì)算傾斜度的步驟還包括以下步驟通過每個(gè)加速度計(jì)檢測(cè)的加速度乘上各加速度計(jì)專用的加權(quán)系數(shù)確定每個(gè)加速度計(jì)的加權(quán)的加速度值；以及計(jì)算加權(quán)的加速度值的和并加上一常數(shù)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在裝置制造之后用加速度計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后確定加權(quán)系數(shù)及常數(shù)。
全文摘要
一傾斜傳感器和一利用傾斜傳感器來計(jì)算傾斜度的方法，由此，傾斜傳感器具有安裝在一底板上的至少三個(gè)加速度計(jì)，諸加速度計(jì)定位在一公共的平面內(nèi)，其中，各個(gè)加速度計(jì)較佳地以等距離角度彼此間隔。
文檔編號(hào)G01C9/00GK1773216SQ200510120160
公開日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2005年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月8日
發(fā)明者L·戴維森 申請(qǐng)人:沙厄-丹福絲股份有限公司