高精度水下傾角測量系統的設計

白 杰， 孟令軍， 張慧慧

（1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051）

高精度水下傾角測量系統的設計

白 杰1，2， 孟令軍1，2， 張慧慧1，2

（1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051）

為滿足深海資源的探測開發中傾斜角度精確測量的要求，設計一種高精度的傾角測量系統。系統包括以內置高精度溫度傳感器的加速度計MS9001.D和微處理器STM32為核心的硬件電路，以24bit A/D轉換器ADS1251U采樣、算法溫度補償和全雙工異步通信為核心的下位機軟件以及以NI為核心的LabVIEW上位機軟件。實現基于MODBUS協議的RS485接口連接上位機，實時顯示并將采集到的角度值按照系統時間存儲于上位機。編寫IIR數字濾波算法，充分抑制振動噪聲干擾。實測結果表明：該系統傾角測量精度可達0.01°，輸出響應頻率為2Hz，具備環境溫度補償功能，滿足實際深海作業需求。

深海探測；傾角測量；高精度；補償算法

0 引 言

深海資源的探測開發與保護具有非常重要的意義，目前深海探測技術[1]成為各國共同關注的一個熱點。傾角測量是測量航行姿態的關鍵環節，其測量精度以及抗振動干擾的能力將直接影響最終的探測器航行路線。國內在高精度水下的傾角領域[2]研究較少，而國外同類產品價格昂貴，又存在技術封鎖，基于此本文開展了水下傾角的研發工作。

傳統的傾角傳感器根據工作原理可分為3類，即固體擺角傳感器、液體擺角傳感器和氣體擺角傳感器。而某種程度上，3類傳感器均存在一定的缺點。本文采用基于加速度傳感器微機電系統（MEMS）技術的電容式加速度計，該傳感器的小尺寸、低功耗、高精度為傾角的測量帶來了可能。

本文介紹了傾角測量系統的整體方案及具體電路，重點闡述了利用加速度測傾角的方法、信號調理電路的設計、IIR數字濾波器算法的實現、溫度補償算法的實現及上位機應用軟件的開發等。

1 總體方案

本系統由內置高精度溫度傳感器的加速度傳感器MS9001.D、信號調理電路、高精度24 bit的A/D采樣ADS1251U、微處理器STM32、RS485接口以及上位機等組成。該測量裝置為雙軸傾角測量儀[3-4]，高精度加速度傳感器MS9001.D采集到加速度值對應的模擬量與溫度對應的模擬量；加速度對應的模擬電壓經過濾波放大等信號調理電路[5]后送到ADC轉化為加速度數字量，溫度對應的模擬量通過STM32的片上資源ADC轉化為數字量；然后經過微處理器STM32內部的補償等一系列算法運算，最終將角度值通過RS485總線接口輸出；于上位機端顯示同時將采集到的角度值按照當前系統時間以2 Hz的頻率存儲，便于后期對數據的參考研究。本設計選擇了一種內置高精度溫度傳感器的加速度傳感器+高精度24bit的A/D芯片ADS1251U,提高了抗干擾能力和測量精度。通過6階數字濾波算法，可以精確測量傳感器[6]相對于水平面的傾斜角度。方案框架如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 MEMS加速度傳感器MS9001.D

傳感器采用瑞士Colibrys公司生產的MS9001.D加速度傳感器，該傳感器是一款低功耗、低噪聲、高精度的MEMS加速度計，適用于惡劣環境和耐用度要求極高的應用領域。其內置的高精度溫度傳感器，可以根據溫度的變化修正傳感器溫度漂移[7]。靈敏度為 2 000 mV/g±16 mV/g，有效測量范圍為±90°，溫漂＜0.05mg/℃，輸出為0.5～4.5V模擬量，便于后端信號調理。傾角傳感器原理是利用加速度傳感器測其重力加速度，根據加速度與重力加速度所滿足的關系來計算傾角。基本原理如圖2所示。

圖2 基本原理圖

在重力加速度的作用下，當加速度計的敏感軸與水平方向成θ角時（0≤θ≤90°），敏感軸上的重力加速度分量為gsinθ。傳感器模擬輸出與傾角θ的對應關系如下：

式中：V——傳感器輸出的模擬電壓，mV；

V0——水平放置時的電壓值，mV；

Vg——傳感器的靈敏度，mV/g。

即可得到如下關系：

由此可得，敏感軸與水平方向的夾角在一定范圍內近似呈線性關系。

2.2 信號調理電路

傳感器輸出的模擬電壓為0.5～4.5V，需要經高精度電阻分壓，集成運放LMV324D跟隨之后將電壓調整到合適范圍0.25～2.25V送入A/D轉換器ADS1251U。A/D轉換器將電子傾角器輸出的模擬量轉換為數字量，分辨率的高低將影響系統的測量精度[8]。本系統采用TI公司的ADS1251U作為傾角測量的A/D轉換器，它是Σ-Δ模數轉換器，24位分辨率，寬動態范圍，+5V單電源供電。19位有效分辨率（均方根噪聲的1.5×10-6）的轉換速率高達20kHz。 ADS1251U將轉換的數字量通過2線制的I2C總線傳送到微處理器STM32。模數轉換器的電壓分辨率為

圖3 傳感器及調理電路原理圖

計算得到 Q=0.23 μV，而角度在±90°之間變化對應的電壓值經調理后變化范圍為0～4V，即傳感器的分辨率S=0.045°/mV，而最小分辨電壓為0.23μV，得到最小分辨角度 QS=1.035×10-5（°）。

當加速度為-g，0，g時，角度值為-90°，0，90°。

3 系統軟件設計

軟件部分包括下位機與上位機。下位機軟件包括A/D采樣控制、IIR數字濾波器設計、溫度補償以及異步串行通信等，上位機包括異步串行通信、與數據的實時顯示與繪圖、數據的存儲等。

3.1 主程序軟件流程

軟件流程如圖4所示，系統完成初始化配置后，進入ADC進行溫度以及加速度模擬量的采集，之后將采集到的加速度進行濾波降噪處理，將結果濾波之后的加速度值進行溫度補償算法處理，得到當前溫度的傾角值，之后經RS485總線傳送到上位機進行傾角顯示與記錄。

3.2 IIR數字濾波器設計及算法實現

由于實際使用過程中存在機械振動干擾，給系統的測量帶來影響，而低頻10～20Hz的振動干擾比較突出。為了消除測量過程中的振動噪聲所帶來的影響，本系統添加了6階巴特沃斯低通濾波算法[9]。采樣頻率FS=300Hz，截止頻率F1=3Hz。巴特沃斯低通濾波具有通頻帶平坦、阻帶衰減迅速等特點。但是相頻是非線性的，群延時也不是常數，可能帶來相位失真的問題，故借助Matlab對濾波器的相關特性進行了仿真研究。由圖5可得該濾波器阻帶衰減迅速，2Hz的噪聲信號經過一周期幾乎衰減到零。當頻率高于2 Hz時，噪聲經過濾波器已經衰減到很小。由此可見，該濾波器抑制振動噪聲效果明顯。

圖4 主程序流程圖

3.3 溫度補償

盡管傳感器溫漂很小，但為了進一步提高測量精度，所以此處需要考慮；由于溫度變化影響的是傳感器的靈敏度，所以只需要修正靈敏度[10]就可以換算得到當前精確的靈敏度值。加速度傳感器的靈敏度Vg以及零點電壓V0隨著溫度的變化而變化，均為溫度 T 的函數，設為 Vg（T），V0（T）。 所以傾角值實際上是關于電壓與溫度的一個函數關系即：

圖5 濾波器仿真圖

根據上式，實時修正隨溫度變化的靈敏度Vg與零點電壓V0即可換算得到修正后的角度值。由于溫度的變化有一定的遲滯性，所以對溫度的采集無需太快，每秒采集一次。這樣既滿足系統實際要求，又降低系統資源占用。根據傳感器參數，在20℃時，傳感器輸出的電壓為1.632V，溫度傳感器靈敏度為-11.77mV/℃。而資料顯示，海水水溫一般隨深度的增加而降低，在深1000m處，水溫大約為4～5℃，隨著深度增加，溫度會降到0℃左右的低溫。由于溫度范圍較寬，所以精確測量溫度對于靈敏度的確定以及最終傾角的測量很有必要。需要通過高低溫實驗確定溫度與靈敏度和零位電壓值的關系。為了得到精確的溫度-靈敏度關系，需要在一個溫度值下采集多組樣本，然后求其平均值。圖6是經過多次測量得到的最終溫度-靈敏度關系圖。

圖6 溫度-靈敏度曲線圖

在一個溫度下測量多個樣本值，然后取其平均值，每隔5℃，測量一次數據，然后經過線性擬合，得到溫度-零位電壓值曲線如圖7所示。

圖7 溫度-零位電壓值曲線圖

理論上N的選取越大越精確，但是從實際考慮，N取10就可以很精確地得到其平均值，所以在實際測試中選取N=10。

圖8 上位機界面圖

3.4 上位機

上位機應用程序在LabVIEW軟件[11]進行設計，采用控件[12]將x軸與y軸的傾斜角度以滾屏的形式顯示于界面左邊，并將實時傾角值以二維坐標軸的形式顯示于右邊，如圖8所示。友好的人機交互界面，為采集和顯示以及最終在PC機存儲提供了保障。軟件可實現串口參數設置、十六進制命令發送、傾角數據曲線繪制、傾角數據動態實時顯示、txt格式數據保存等功能。

4 實驗及結果

本系統已經研制完畢，結構緊湊，集成度高，采用灌封技術與油封加多級防水處理，以達到水下作業的需求。

圖9是上位機界面通過以txt格式以當前時間為文件名所記錄的傾角值。輸出響應頻率為2Hz，精度達到 0.01°。

5 結束語

本系統方案可行，系統集成度高，從采集到處理以及濾波、溫度補償等方面考慮，降低誤差，提高了系統精度，最后將得到的傾角值采用MODBUS協議通過RS485實時顯示于上位機，并在上位機上進行記錄存儲，便于后期對數據的研究分析。研制成功后，經長期測試，工作穩定可靠，取得較好的測試結果。可用于工業生產、軍事火力控制、航海潛水以及航空航天等寬溫度工作范圍的高精度測量領域。

圖9 數據記錄圖

[1]程凱，滕紹偉，楊國仁，等.深海海底原位觀測站傾角測量優化設計[J].中國海洋大學學報（自然科學版），2011，41（11）：120-123.

[2]李智，汪地，楊浩，等.一種基于三軸加速度傳感器的傾角測量裝置[J].儀表技術與傳感器，2013（8）：30-33.

[3] 李士釗.基于AVR單片機的雙軸傾角儀的設計與實現[D].長春：吉林大學，2009.

[4]徐曉翔，陳文薌，葉軍君.基于三軸加速度傳感器的傾角測量系統的設計[J].傳感器世界，2012（7）：32-36.

[5]柏受軍，張榮標，胡海燕，等.差動變壓器式大量程精密角位移傳感器的設計[J].傳感器與微系統，2006，25（11）：63-65.

[6] 吳延榮，王克河，王桂娟，等.基于MMA7260Q的數字傾角傳感器設計[J].微計算機信息，2010，26（7-1）：113-114.

[7] 蔣海濤，郭戰營.基于MEMS加速度傳感器的飛行器傾角測量系統設計[J].計算機測量與控制，2010，18（1）：107-109.

[8] 段曉敏，李杰，劉文怡，等.基于MEMS加速度計的數字傾角測量儀的設計[J].電子設計工程，2009，17（8）：71-72.

[9] 耶曉東.基于Matlab的IIR數字濾波器設計及DSP實現[J].電子設計工程，2011，19（9）：175-177.

[10]于靖，卜雄洙，葉健.帶傾斜修正的電子磁羅盤傾角測量誤差補償算法[J].中國慣性技術學報，2013，21（6）：721-725.

[11]李軍，王耀弘，張雯，等.虛擬儀器平臺嬰兒培養箱校準試驗裝置設計[J].中國測試，2015，41（4）：74-76.

[12]余高陽，王見，馮丞科.基于LabVIEW的壓力脈動分析儀[J].中國測試，2013，39（5）：80-82.

（編輯：商丹丹）

Design of high-precision underwater dip angle measuring system

BAI Jie1，2， MENG Lingjun1，2， ZHANG Huihui1，2
（1.Ministrial Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.State Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In order to meet the requirements of precision measurement on angle of inclination in deep-sea resources exploration and development，a high-precision dip angle measuring system is designed.Thesystem ismadeup ofaccelerometerMS9001.D with built-in high-precision temperature sensor and microprocessor STM32 as the core hardware circuit，the slave computer software of 24bit A/D convertor ADS1251U sampling，temperature compensation algorithm as well as full duplex asynchronous communication and the NI-cored LabVIEW upper computer software.It realizes the connection to the upper computer through RS485 interface based on MODBUS protocol to real-time display the angle values and store the acquired angle value in the upper computer by system time.The formation of IIR digital filtering algorithm is able to sufficiently suppress the vibration noise interference.The results show that the measuring accuracy of dip angle can reach 0.01° with outputresponse frequency of2 Hz， having the temperature compensating ability and meeting the demands for deep-sea operation.

deep-sea exploration； dip angle measurement； high-precision； compensation algorithm

A

1674-5124（2017）06-0070-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.015

2016-06-15；

2016-09-21

國家自然科學基金（61274103）

白 杰（1990-），男，山西呂梁市人，碩士研究生，專業方向為電路與系統。