周妤，朱穎，劉威，梁雪，李照

（西安創(chuàng)聯(lián)電氣科技（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西西安，710065）

0 引言

三維角度傳感器主要用于測(cè)量被測(cè)物發(fā)生的翻轉(zhuǎn)和俯仰角，使用時(shí)將該傳感器固定于被測(cè)物的表面，當(dāng)被測(cè)物發(fā)生角度傾斜，即可通過(guò)該傳感器讀取其傾斜角度。傾角測(cè)量功能廣泛應(yīng)用在建筑機(jī)械、路面機(jī)械、港口機(jī)械、起重機(jī)械等工程機(jī)械領(lǐng)域中，它能夠?qū)こ虣C(jī)械運(yùn)作過(guò)程中與角度相關(guān)的狀態(tài)與姿態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制[1]。三維角度傳感器出廠時(shí)需要進(jìn)行校準(zhǔn)及檢測(cè)，就是利用精度高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)傳感器進(jìn)行定度的過(guò)程，且還需對(duì)所校準(zhǔn)的傳感器對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)器具進(jìn)行檢測(cè)[2]。一般三維角度模塊可校準(zhǔn)及檢測(cè)的工位較少，校準(zhǔn)及檢測(cè)需要人工干預(yù)較多，包括更換軸向安裝位置，更換檢測(cè)工序等多個(gè)環(huán)節(jié)都需要人工操作，操作復(fù)雜，效率低下。因此，本文設(shè)計(jì)了一種便捷、高效的校準(zhǔn)及檢測(cè)系統(tǒng)用于多支三維角度傳感器標(biāo)定檢測(cè)。

1 校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的多通道三維角度傳感器校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)主要分為校準(zhǔn)與檢測(cè)兩個(gè)過(guò)程，先進(jìn)行校準(zhǔn)在進(jìn)行檢測(cè)，若校準(zhǔn)已完成可直接進(jìn)行檢測(cè)。校準(zhǔn)過(guò)程是將三維角度傳感器固定在角度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)信號(hào)線實(shí)現(xiàn)角度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)與上位機(jī)之間的通信，并實(shí)現(xiàn)三維角度傳感器與上位機(jī)之間的通信后，自定義X軸、Y軸及Z軸方向的校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量、校準(zhǔn)角度范圍及校準(zhǔn)頻率。在保證設(shè)置參數(shù)完成后，確定校準(zhǔn)通道，進(jìn)入校準(zhǔn)模式。最終，確定收到校準(zhǔn)完成信號(hào)，結(jié)束校準(zhǔn)過(guò)程，準(zhǔn)備進(jìn)入檢測(cè)過(guò)程。具體軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的校準(zhǔn)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(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)中，進(jìn)入校準(zhǔn)流程，情況如下：

圖1 校準(zhǔn)控制策略

(1)在校準(zhǔn)流程中，對(duì)三維角度傳感器上電，確定校準(zhǔn)參數(shù)包括：各軸向的校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量、校準(zhǔn)角度范圍和校準(zhǔn)頻率。

(2)獲取至少一軸的校準(zhǔn)確定信號(hào)。

①確定X軸、Y軸和Z軸的方向以及校準(zhǔn)參數(shù)，可以由操作人員手動(dòng)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(yù)定時(shí)間內(nèi)，確定是否存在需要校準(zhǔn)的通道。一般情況下三維角度傳感器校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)中安裝了多少三維角度傳感器，就會(huì)存在多少需要校準(zhǔn)的通道，每個(gè)三維角度傳感器占用一個(gè)通道。如果不存在需要校準(zhǔn)的通道，則進(jìn)入檢測(cè)流程；③如果存在需要校準(zhǔn)的通道，確定三維角度傳感器所在的校準(zhǔn)通道；④確定校準(zhǔn)通道后，確定是否獲取至少一軸的校準(zhǔn)確定信號(hào)，如果任何軸向都不存在校準(zhǔn)確定信號(hào)，也進(jìn)入檢測(cè)流程。

(3)當(dāng)至少一軸的校準(zhǔn)確定信號(hào)在預(yù)設(shè)的校準(zhǔn)參數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)設(shè)定的角度閾值進(jìn)行校準(zhǔn)。

①確定至少一軸的校準(zhǔn)確定信號(hào)是否在預(yù)設(shè)的校準(zhǔn)參數(shù)范圍內(nèi)；②如果至少一軸的校準(zhǔn)確定信號(hào)在預(yù)設(shè)的校準(zhǔn)參數(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)軸向的優(yōu)先級(jí)確定校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并對(duì)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)設(shè)定的角度閾值進(jìn)行校準(zhǔn)；③如果至少一軸的校準(zhǔn)確定信號(hào)不在預(yù)設(shè)的校準(zhǔn)參數(shù)范圍內(nèi)，修正校準(zhǔn)參數(shù)，當(dāng)至少一軸的校準(zhǔn)確定信號(hào)不在預(yù)設(shè)的校準(zhǔn)參數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，上位機(jī)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的提示，操作人員可以根據(jù)提示對(duì)校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行修正，以使至少一軸的校準(zhǔn)確定信號(hào)處在校準(zhǔn)參數(shù)范圍內(nèi)；④在修正后的校準(zhǔn)參數(shù)基礎(chǔ)上獲取至少一軸的校準(zhǔn)確定信號(hào)；⑤采用傳感器分段校準(zhǔn)法，根據(jù)軸向的優(yōu)先級(jí)對(duì)三維角度傳感器進(jìn)行單方向校準(zhǔn)，軸向的優(yōu)先級(jí)從高到低依次為X軸、Y軸和Z軸。

(4)在一軸的校準(zhǔn)完成后，確定是否存在多通道的校準(zhǔn)完成確定信號(hào)。

①確定一軸的校準(zhǔn)是否完成；②如果一軸的校準(zhǔn)已經(jīng)完成，確定是否存在多通道的校準(zhǔn)完成確定信號(hào)。如果存在多通道的校準(zhǔn)完成確定信號(hào)，則表明三維角度傳感器校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)中所有的三維角度傳感器均完成了當(dāng)前軸向的校準(zhǔn)工作，可以進(jìn)入檢測(cè)流程，如果一軸的校準(zhǔn)還未完成，則需要返回（(2)-④）以完成當(dāng)前軸向的校準(zhǔn)，在（(4)-③）中需要返回（(2)-②）以完成其他軸向以及通道的校準(zhǔn)；③如果不存在多通道的校準(zhǔn)完成確定信號(hào)，則進(jìn)行下一個(gè)軸的校準(zhǔn)。

(5)若存在多通道的校準(zhǔn)完成確定信號(hào)，則進(jìn)入檢測(cè)流程。

檢測(cè)過(guò)程是保證取X軸、Y軸、Z軸中至少一軸收到檢測(cè)確定信號(hào)后，進(jìn)入開(kāi)始檢測(cè)開(kāi)始模式。然后，根據(jù)軸向優(yōu)先級(jí)確定檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量、頻率和范圍，對(duì)相應(yīng)開(kāi)關(guān)量信號(hào)設(shè)定的角度閾值進(jìn)行檢測(cè)；若檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量、檢測(cè)范圍及頻率不滿足預(yù)設(shè)要求，根據(jù)提示，修正設(shè)置檢測(cè)參數(shù)，重新開(kāi)始。最終，確定收到檢測(cè)完成信號(hào)，結(jié)束檢測(cè)過(guò)程。具體軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的檢測(cè)控制策略如圖2所示，在傳感器完成校準(zhǔn)后進(jìn)入檢測(cè)流程，情況如下：

圖2 檢測(cè)控制策略

（1）在檢測(cè)流程中，獲取至少一軸的檢測(cè)確定信號(hào)。

①確定X軸、Y軸和Z軸的方向以及檢測(cè)參數(shù)。X軸、Y軸和Z軸的方向可以由操作人員手動(dòng)選擇，操作人員可以在上位機(jī)輸入上述檢測(cè)參數(shù)，檢測(cè)參數(shù)包括：各軸向的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量、檢測(cè)角度范圍和檢測(cè)頻率；②在進(jìn)入檢測(cè)流程后的預(yù)定時(shí)間內(nèi)，確定是否存在需要檢測(cè)的通道。一般情況下三維角度傳感器校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)中安裝了多少三維角度傳感器，就會(huì)存在多少需要檢測(cè)的通道，每個(gè)三維角度傳感器占用一個(gè)通道。如果不存在需要檢測(cè)的通道，則確定是否存在檢測(cè)完成確定信號(hào)，若存在，則檢測(cè)流程結(jié)束，若不存在則返回校準(zhǔn)流程；③如果存在需要檢測(cè)的通道，確定三維角度傳感器所在的檢測(cè)通道；④確定檢測(cè)通道后，確定是否獲取至少一軸的檢測(cè)確定信號(hào)。如果任何軸向都不存在檢測(cè)確定信號(hào)，則確定是否存在檢測(cè)完成確定信號(hào)，若存在，則檢測(cè)流程結(jié)束，若不存在則返回校準(zhǔn)流程。

（2）當(dāng)至少一軸的檢測(cè)確定信號(hào)在預(yù)設(shè)的檢測(cè)參數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)設(shè)定的角度閾值進(jìn)行檢測(cè)。

①確定至少一軸的檢測(cè)確定信號(hào)是否在預(yù)設(shè)的檢測(cè)參數(shù)范圍內(nèi)；②如果至少一軸的檢測(cè)確定信號(hào)在預(yù)設(shè)的檢測(cè)參數(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)軸向的優(yōu)先級(jí)確定檢測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)設(shè)定的角度閾值進(jìn)行檢測(cè)；③如果至少一軸的檢測(cè)確定信號(hào)不在預(yù)設(shè)的檢測(cè)參數(shù)范圍內(nèi)，修正檢測(cè)參數(shù)。當(dāng)至少一軸的檢測(cè)確定信號(hào)不在預(yù)設(shè)的檢測(cè)參數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，上位機(jī)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的提示，操作人員可以根據(jù)提示對(duì)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行修正，以使至少一軸的檢測(cè)確定信號(hào)處在檢測(cè)參數(shù)范圍內(nèi)；④在修正后的檢測(cè)參數(shù)基礎(chǔ)上獲取至少一軸的檢測(cè)確定信號(hào)；⑤根據(jù)軸向的優(yōu)先級(jí)對(duì)三維角度傳感器進(jìn)行單方向檢測(cè)，軸向的優(yōu)先級(jí)從高到低依次為X軸、Y軸和Z軸。

（3）在一軸的檢測(cè)完成后，確定是否存在多通道的檢測(cè)完成確定信號(hào)。

①確定一軸的檢測(cè)是否完成；②如果一軸的檢測(cè)已經(jīng)完成，確定是否存在多通道的檢測(cè)完成確定信號(hào)。如果存在多通道的檢測(cè)完成確定信號(hào)，則表明三維角度傳感器校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)中所有的三維角度傳感器均完成了當(dāng)前軸向的檢測(cè)工作，結(jié)束檢測(cè)流程，如果一軸的檢測(cè)還未完成，則需要返回（(1)-④）以完成當(dāng)前軸向的檢測(cè)；③如果不存在多通道的檢測(cè)完成確定信號(hào)，則需要返回（(1)-②）以完成其他軸向以及通道的檢測(cè)。

（4）若存在多通道的檢測(cè)完成確定信號(hào)，則檢測(cè)流程結(jié)束。

2 系統(tǒng)搭建

多通道三維角度傳感器校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)，包括角度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)、多通道數(shù)據(jù)采集裝置、信號(hào)線、上位機(jī)，三維角度傳感器安裝在角度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上，與多通道數(shù)據(jù)采集裝置相連，角度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)與多通道數(shù)據(jù)采集裝置通過(guò)信號(hào)線分別與上位機(jī)連接，如圖3所示。角度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，用于安裝多個(gè)三維角度傳感器，并控制三維角度傳感器進(jìn)行三維轉(zhuǎn)動(dòng)；數(shù)據(jù)采集裝置，用于采集角度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝的多個(gè)三維角度傳感器輸出的數(shù)據(jù)；上位機(jī)，用于接收數(shù)據(jù)采集裝置采集到的數(shù)據(jù)，對(duì)三維角度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和檢測(cè)，并控制角度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。其中，角度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)包括驅(qū)動(dòng)裝置、多工位旋轉(zhuǎn)安裝平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)裝置與上位機(jī)相連，多工位旋轉(zhuǎn)安裝平臺(tái)包括16個(gè)工位。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

一般，信號(hào)采集模塊信號(hào)采集模塊包括模擬信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)采集和頻率信號(hào)采集[3]。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)支持模擬、數(shù)字信號(hào)采集，模擬信號(hào)可采集電流0～30mA，電壓信號(hào)可采集0～5V，數(shù)字信號(hào)可實(shí)現(xiàn)RS232、UART及RS485通信，在實(shí)際使用時(shí)具體操作步驟如下。

需要完成測(cè)試系統(tǒng)的電連接及測(cè)試，主要保證上位機(jī)與角度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的通信正常，可實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行定義角度旋轉(zhuǎn)。其中，上位機(jī)實(shí)際是通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制。驅(qū)動(dòng)裝置可以包括安裝架和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，安裝架包括多個(gè)U型的支架，多個(gè)U型的支架從外向內(nèi)依次轉(zhuǎn)動(dòng)連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置在支架的連接處，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以選用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)在上位機(jī)的控制下工作，以使驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)角度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)。

（2）將待校準(zhǔn)檢測(cè)的傳感器安裝在角度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上（最多一次不超過(guò)16支），并完成三維傳感器與多通道數(shù)據(jù)采集裝置的連接，保證上位機(jī)可通過(guò)多通道數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)三維角度傳感器的數(shù)據(jù)采集。

（3）根據(jù)校準(zhǔn)檢測(cè)控制策略設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，多通道數(shù)據(jù)采集裝置支持模擬和數(shù)字信號(hào)的采集，當(dāng)傳感器與其連接后，采集的數(shù)字信號(hào)則可以通過(guò)RS232/RS485/UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通 用異步收發(fā)傳輸器）接口將采集的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。

（4）利用上位機(jī)軟件進(jìn)行傳感器校準(zhǔn)檢測(cè)控制策略的實(shí)行，根據(jù)角度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)后傳感器反饋數(shù)據(jù)，以轉(zhuǎn)臺(tái)角度為目標(biāo)參照完成X/Y/Z軸的校準(zhǔn)，在校準(zhǔn)工作完成后，以轉(zhuǎn)臺(tái)角度為目標(biāo)參照，檢測(cè)允許范圍內(nèi)X/Y/Z軸的角度值。

3 測(cè)試結(jié)果

分別采用本文校準(zhǔn)檢測(cè)方法和單支產(chǎn)品校準(zhǔn)檢測(cè)方法就校準(zhǔn)檢測(cè)時(shí)間和零點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，如表1及表2所示。

表1 單支與多通道校準(zhǔn)檢測(cè)時(shí)間對(duì)比

表2 單支與多通道零點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

從對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，本文提出的多通道三維角度傳感器校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)不改變軸向安裝位置情況下，同時(shí)進(jìn)行三維的校準(zhǔn)與檢測(cè)兩個(gè)工序，遠(yuǎn)比單支逐個(gè)檢測(cè)校準(zhǔn)節(jié)省時(shí)間，提供了一種便捷、高效的校準(zhǔn)檢測(cè)方法。且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也反映，多通道三維角度傳感器校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)，提升了產(chǎn)品一致性，相較于單支檢測(cè)零點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比誤差降低40%，提高了產(chǎn)品檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文中多通道三維角度傳感器校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)，在可實(shí)現(xiàn)不改變軸向安裝位置情況下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維的校準(zhǔn)與檢測(cè)兩個(gè)工序，并且還提供了一種便捷、高效的校準(zhǔn)及檢測(cè)方法，提升了產(chǎn)品一致性，降低了成本，提高了該類傳感器產(chǎn)品校準(zhǔn)與檢測(cè)效率。