倾角仪特性研究及其测量误差补偿

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1、倾角仪特性研究及其测量误差补偿基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（2007CB714005）文香稳，潘明华，朱国力（华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉430074）摘要：为了减轻非线性因素和环境温度的变化对倾角仪测量的影响，在充分研究倾角仪测量特性的基础上，采用多项式拟合方法研究了倾角仪非线性误差和温度漂移误差的软件补偿技术。建立了测量误差与非线性输出的多项式模型，拟合求出了多项式模型的各个系数与环境温度的关系函数，得到了倾角仪在一定倾角范围和温度范围内的测量误差的计算公式。据此公式，就能实时地计算和修正误差。实验证明了方法的可行性和有效性。关键词：倾角仪；非线性误差；

2、温度漂移误差；多项式拟合中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：01633ResearchoncharacteristicoftheinclinatorandcompensationforitsmeasurementerrorWenXiangwen，PanMinghua，ZhuGuoli（CollegeofMechanicalScienceandEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,430074,China）Abstract:Toreducetheimpactsofnonlinearityandva

3、riationofenvironmenttemperatureonthemeasurementoftheinclinator,asoftwarecompensationtechnologyfortheinclinator’snonlinearerrorandtemperaturedrifterrorwasstudiedusingthemethodofpolynomialfittingafterfullyresearchingthemeasurementcharacteristic.Thepolynomialmodelbetweenthemeasurementerrorandtheno

4、nlinearoutputwasbuilt.Therelationalfunctionbetweeneachcoefficientofthepolynomialmodelandtheenvironmenttemperaturewasobtainedbyfitting.Acalculationformulaoftheinclinator’smeasurementerrorinarangeofinclinationandtemperaturewasacquired.Accordingtotheformula,themeasurementerrorcanbecalculatedandrec

5、tifiedinreal-time.Theexperimentdemonstratesthefeasibilityandvalidityoftheproposedmethod.Keywords:inclinator;nonlinearerror;temperaturedrifterror;polynomialfitting0引言倾角仪是测量载体相对于水平面的倾斜角的一种重要传感器，具有分辨率高、功耗低、测量范围大、易于集成等优点，广泛应用于工厂自动化、仪器仪表、船舶、农业机械、工程机械、土木工程、军工、航空航天等领域。但倾角仪在实际应用时往往具有较大的非线性误差和温度漂移误差，从而很

6、难满足工程实际要求。为了提高测量精度，目前一般采用硬件改进[1-2]或软件补偿[3-4]的方法对其测量误差进行修正。相较硬件改进，软件补偿方法的通用性强、达到的精度更高而且成本较低，主要有非线性反函数校正方法[5]、基于最小二乘法原理的多项式拟合方法[6-9]、神经网络方法[10-12]等等。非线性反函数校正方法只考虑到了传感器自身非线性因素的影响而忽略了环境温度的变化对传感器的作用，加之非线性反函数通常不易精确求得，因此补偿精度不高、应用场合受限。神经网络方法由于对初始值很敏感、容易陷入局部极小值且隐层节点数的选择缺乏理论指导等等，其泛化能力很难保证。多项式拟合方法对传感器的测量误

7、差补偿具有曲线形式的特点，补偿精度较高且操作简便。因此，本文以SST260-45倾角仪为例，采用多项式拟合方法研究了倾角仪测量误差的软件补偿技术。1倾角仪特性研究实验发现，当倾角值为±45°、±35°、±25°、±15°、±5°且环境温度从28°C以1°C为间隔逐渐增加到48°C时，倾角仪的非线性误差曲线如图1所示。不难看出，当测量范围增大时，倾角仪自身的非线性会造成较大的测量误差，且非线性曲线比较复杂。另外，随着环境温度的升高，倾角仪的非线性误差曲线具有