多通道三維角度傳感器校準檢測系統

周妤，朱穎，劉威，梁雪，李照

（西安創聯電氣科技（集團）有限責任公司，陜西西安，710065）

0 引言

三維角度傳感器主要用于測量被測物發生的翻轉和俯仰角，使用時將該傳感器固定于被測物的表面，當被測物發生角度傾斜，即可通過該傳感器讀取其傾斜角度。傾角測量功能廣泛應用在建筑機械、路面機械、港口機械、起重機械等工程機械領域中，它能夠對工程機械運作過程中與角度相關的狀態與姿態實現實時監測與控制[1]。三維角度傳感器出廠時需要進行校準及檢測，就是利用精度高一級的標準器具對傳感器進行定度的過程，且還需對所校準的傳感器對比標準器具進行檢測[2]。一般三維角度模塊可校準及檢測的工位較少，校準及檢測需要人工干預較多，包括更換軸向安裝位置，更換檢測工序等多個環節都需要人工操作，操作復雜，效率低下。因此，本文設計了一種便捷、高效的校準及檢測系統用于多支三維角度傳感器標定檢測。

1 校準檢測系統

設計的多通道三維角度傳感器校準檢測系統主要分為校準與檢測兩個過程，先進行校準在進行檢測，若校準已完成可直接進行檢測。校準過程是將三維角度傳感器固定在角度測試轉臺上，通過信號線實現角度測試轉臺與上位機之間的通信，并實現三維角度傳感器與上位機之間的通信后，自定義X軸、Y軸及Z軸方向的校準點數量、校準角度范圍及校準頻率。在保證設置參數完成后，確定校準通道，進入校準模式。最終，確定收到校準完成信號，結束校準過程，準備進入檢測過程。具體軟件設計過程中采用的校準控制策略如圖1所示，將三維角度傳感器安裝在上述的三維角度傳感器校準檢測系統中，進入校準流程，情況如下：

圖1 校準控制策略

(1)在校準流程中，對三維角度傳感器上電，確定校準參數包括：各軸向的校準點數量、校準角度范圍和校準頻率。

(2)獲取至少一軸的校準確定信號。

①確定X軸、Y軸和Z軸的方向以及校準參數，可以由操作人員手動選擇X軸、Y軸和Z軸的方向；②在三維角度傳感器上電后的預定時間內，確定是否存在需要校準的通道。一般情況下三維角度傳感器校準檢測系統中安裝了多少三維角度傳感器，就會存在多少需要校準的通道，每個三維角度傳感器占用一個通道。如果不存在需要校準的通道，則進入檢測流程；③如果存在需要校準的通道，確定三維角度傳感器所在的校準通道；④確定校準通道后，確定是否獲取至少一軸的校準確定信號，如果任何軸向都不存在校準確定信號，也進入檢測流程。

(3)當至少一軸的校準確定信號在預設的校準參數范圍內時，對相應的開關量信號設定的角度閾值進行校準。

①確定至少一軸的校準確定信號是否在預設的校準參數范圍內；②如果至少一軸的校準確定信號在預設的校準參數范圍內，根據軸向的優先級確定校準數據，并對相應的開關量信號設定的角度閾值進行校準；③如果至少一軸的校準確定信號不在預設的校準參數范圍內，修正校準參數，當至少一軸的校準確定信號不在預設的校準參數范圍內時，上位機會發出相應的提示，操作人員可以根據提示對校準參數進行修正，以使至少一軸的校準確定信號處在校準參數范圍內；④在修正后的校準參數基礎上獲取至少一軸的校準確定信號；⑤采用傳感器分段校準法，根據軸向的優先級對三維角度傳感器進行單方向校準，軸向的優先級從高到低依次為X軸、Y軸和Z軸。

(4)在一軸的校準完成后，確定是否存在多通道的校準完成確定信號。

①確定一軸的校準是否完成；②如果一軸的校準已經完成，確定是否存在多通道的校準完成確定信號。如果存在多通道的校準完成確定信號，則表明三維角度傳感器校準檢測系統中所有的三維角度傳感器均完成了當前軸向的校準工作，可以進入檢測流程，如果一軸的校準還未完成，則需要返回（(2)-④）以完成當前軸向的校準，在（(4)-③）中需要返回（(2)-②）以完成其他軸向以及通道的校準；③如果不存在多通道的校準完成確定信號，則進行下一個軸的校準。

(5)若存在多通道的校準完成確定信號，則進入檢測流程。

檢測過程是保證取X軸、Y軸、Z軸中至少一軸收到檢測確定信號后，進入開始檢測開始模式。然后，根據軸向優先級確定檢測點數量、頻率和范圍，對相應開關量信號設定的角度閾值進行檢測；若檢測點數量、檢測范圍及頻率不滿足預設要求，根據提示，修正設置檢測參數，重新開始。最終，確定收到檢測完成信號，結束檢測過程。具體軟件設計過程中采用的檢測控制策略如圖2所示，在傳感器完成校準后進入檢測流程，情況如下：

圖2 檢測控制策略

（1）在檢測流程中，獲取至少一軸的檢測確定信號。

①確定X軸、Y軸和Z軸的方向以及檢測參數。X軸、Y軸和Z軸的方向可以由操作人員手動選擇，操作人員可以在上位機輸入上述檢測參數，檢測參數包括：各軸向的檢測點數量、檢測角度范圍和檢測頻率；②在進入檢測流程后的預定時間內，確定是否存在需要檢測的通道。一般情況下三維角度傳感器校準檢測系統中安裝了多少三維角度傳感器，就會存在多少需要檢測的通道，每個三維角度傳感器占用一個通道。如果不存在需要檢測的通道，則確定是否存在檢測完成確定信號，若存在，則檢測流程結束，若不存在則返回校準流程；③如果存在需要檢測的通道，確定三維角度傳感器所在的檢測通道；④確定檢測通道后，確定是否獲取至少一軸的檢測確定信號。如果任何軸向都不存在檢測確定信號，則確定是否存在檢測完成確定信號，若存在，則檢測流程結束，若不存在則返回校準流程。

（2）當至少一軸的檢測確定信號在預設的檢測參數范圍內時，對相應的開關量信號設定的角度閾值進行檢測。

①確定至少一軸的檢測確定信號是否在預設的檢測參數范圍內；②如果至少一軸的檢測確定信號在預設的檢測參數范圍內，根據軸向的優先級確定檢測數據，并對相應的開關量信號設定的角度閾值進行檢測；③如果至少一軸的檢測確定信號不在預設的檢測參數范圍內，修正檢測參數。當至少一軸的檢測確定信號不在預設的檢測參數范圍內時，上位機會發出相應的提示，操作人員可以根據提示對檢測參數進行修正，以使至少一軸的檢測確定信號處在檢測參數范圍內；④在修正后的檢測參數基礎上獲取至少一軸的檢測確定信號；⑤根據軸向的優先級對三維角度傳感器進行單方向檢測，軸向的優先級從高到低依次為X軸、Y軸和Z軸。

（3）在一軸的檢測完成后，確定是否存在多通道的檢測完成確定信號。

①確定一軸的檢測是否完成；②如果一軸的檢測已經完成，確定是否存在多通道的檢測完成確定信號。如果存在多通道的檢測完成確定信號，則表明三維角度傳感器校準檢測系統中所有的三維角度傳感器均完成了當前軸向的檢測工作，結束檢測流程，如果一軸的檢測還未完成，則需要返回（(1)-④）以完成當前軸向的檢測；③如果不存在多通道的檢測完成確定信號，則需要返回（(1)-②）以完成其他軸向以及通道的檢測。

（4）若存在多通道的檢測完成確定信號，則檢測流程結束。

2 系統搭建

多通道三維角度傳感器校準檢測系統，包括角度測試轉臺、多通道數據采集裝置、信號線、上位機，三維角度傳感器安裝在角度測試轉臺上，與多通道數據采集裝置相連，角度測試轉臺與多通道數據采集裝置通過信號線分別與上位機連接，如圖3所示。角度測試轉臺，用于安裝多個三維角度傳感器，并控制三維角度傳感器進行三維轉動；數據采集裝置，用于采集角度測試轉臺上安裝的多個三維角度傳感器輸出的數據；上位機，用于接收數據采集裝置采集到的數據，對三維角度傳感器進行校準和檢測，并控制角度測試轉臺的轉動狀態。其中，角度測試轉臺包括驅動裝置、多工位旋轉安裝平臺，驅動裝置與上位機相連，多工位旋轉安裝平臺包括16個工位。

圖3 測試系統示意圖

一般，信號采集模塊信號采集模塊包括模擬信號采集、數字信號采集和頻率信號采集[3]。本文設計系統支持模擬、數字信號采集，模擬信號可采集電流0～30mA，電壓信號可采集0～5V，數字信號可實現RS232、UART及RS485通信，在實際使用時具體操作步驟如下。

需要完成測試系統的電連接及測試，主要保證上位機與角度測試轉臺的通信正常，可實時調整轉臺進行定義角度旋轉。其中，上位機實際是通過控制驅動裝置實現對轉臺的控制。驅動裝置可以包括安裝架和驅動電機，安裝架包括多個U型的支架，多個U型的支架從外向內依次轉動連接，驅動電機設置在支架的連接處，驅動電機可以選用步進電機，步進電機在上位機的控制下工作，以使驅動裝置發生轉動從而帶動角度測試轉臺。

（2）將待校準檢測的傳感器安裝在角度測試轉臺上（最多一次不超過16支），并完成三維傳感器與多通道數據采集裝置的連接，保證上位機可通過多通道數據采集裝置實現對三維角度傳感器的數據采集。

（3）根據校準檢測控制策略設置相應參數，多通道數據采集裝置支持模擬和數字信號的采集，當傳感器與其連接后，采集的數字信號則可以通過RS232/RS485/UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通 用異步收發傳輸器）接口將采集的數據傳輸至上位機。

（4）利用上位機軟件進行傳感器校準檢測控制策略的實行，根據角度測試轉臺轉動后傳感器反饋數據，以轉臺角度為目標參照完成X/Y/Z軸的校準，在校準工作完成后，以轉臺角度為目標參照，檢測允許范圍內X/Y/Z軸的角度值。

3 測試結果

分別采用本文校準檢測方法和單支產品校準檢測方法就校準檢測時間和零點檢測結果進行比較，如表1及表2所示。

表1 單支與多通道校準檢測時間對比

表2 單支與多通道零點檢測結果對比

從對比實驗可以看出，本文提出的多通道三維角度傳感器校準檢測系統，可實現不改變軸向安裝位置情況下，同時進行三維的校準與檢測兩個工序，遠比單支逐個檢測校準節省時間，提供了一種便捷、高效的校準檢測方法。且實驗數據也反映，多通道三維角度傳感器校準檢測系統，提升了產品一致性，相較于單支檢測零點檢測結果對比誤差降低40%，提高了產品檢測的準確性。

4 結論

本文中多通道三維角度傳感器校準檢測系統，在可實現不改變軸向安裝位置情況下，同時實現三維的校準與檢測兩個工序，并且還提供了一種便捷、高效的校準及檢測方法，提升了產品一致性，降低了成本，提高了該類傳感器產品校準與檢測效率。