周妤，朱穎，劉威，梁雪，李照

（西安創(chuàng)聯(lián)電氣科技（集團）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量被測物發(fā)生的翻轉(zhuǎn)和俯仰角，使用時將該傳感器固定于被測物的表面，當(dāng)被測物發(fā)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(yīng)用在建筑機械、路面機械、港口機械、起重機械等工程機械領(lǐng)域中，它能夠?qū)こ虣C械運作過程中與角度相關(guān)的狀態(tài)與姿態(tài)實現(xiàn)實時監(jiān)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(yù)較多，包括更換軸向安裝位置，更換檢測工序等多個環(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)計了一種便捷、高效的校準及檢測系統(tǒng)用于多支三維角度傳感器標定檢測。

1 校準檢測系統(tǒng)

設(shè)計的多通道三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng)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(zhuǎn)臺上，通過信號線實現(xiàn)角度測試轉(zhuǎn)臺與上位機之間的通信，并實現(xiàn)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(shù)量、校準角度范圍及校準頻率。在保證設(shè)置參數(shù)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(jié)束校準過程，準備進入檢測過程。具體軟件設(shè)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(tǒng)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(shù)包括：各軸向的校準點數(shù)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(shù)，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(yù)定時間內(nèi)，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(tǒng)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(dāng)至少一軸的校準確定信號在預(yù)設(shè)的校準參數(shù)范圍內(nèi)時，對相應(yīng)的開關(guān)量信號設(shè)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(yù)設(shè)的校準參數(shù)范圍內(nèi)；②如果至少一軸的校準確定信號在預(yù)設(shè)的校準參數(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)軸向的優(yōu)先級確定校準數(shù)據(jù)，并對相應(yīng)的開關(guān)量信號設(shè)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(yù)設(shè)的校準參數(shù)范圍內(nèi)，修正校準參數(shù)，當(dāng)至少一軸的校準確定信號不在預(yù)設(shè)的校準參數(shù)范圍內(nèi)時，上位機會發(fā)出相應(yīng)的提示，操作人員可以根據(jù)提示對校準參數(shù)進行修正，以使至少一軸的校準確定信號處在校準參數(shù)范圍內(nèi)；④在修正后的校準參數(shù)基礎(chǔ)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(jù)軸向的優(yōu)先級對三維角度傳感器進行單方向校準，軸向的優(yōu)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(jīng)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(tǒng)中所有的三維角度傳感器均完成了當(dāng)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(dāng)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(jù)軸向優(yōu)先級確定檢測點數(shù)量、頻率和范圍，對相應(yīng)開關(guān)量信號設(shè)定的角度閾值進行檢測；若檢測點數(shù)量、檢測范圍及頻率不滿足預(yù)設(shè)要求，根據(jù)提示，修正設(shè)置檢測參數(shù)，重新開始。最終，確定收到檢測完成信號，結(jié)束檢測過程。具體軟件設(shè)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(shù)。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(shù)，檢測參數(shù)包括：各軸向的檢測點數(shù)量、檢測角度范圍和檢測頻率；②在進入檢測流程后的預(yù)定時間內(nèi)，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(tǒng)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(jié)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(jié)束，若不存在則返回校準流程。

（2）當(dāng)至少一軸的檢測確定信號在預(yù)設(shè)的檢測參數(shù)范圍內(nèi)時，對相應(yīng)的開關(guān)量信號設(shè)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(yù)設(shè)的檢測參數(shù)范圍內(nèi)；②如果至少一軸的檢測確定信號在預(yù)設(shè)的檢測參數(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)軸向的優(yōu)先級確定檢測數(shù)據(jù)，并對相應(yīng)的開關(guān)量信號設(shè)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(yù)設(shè)的檢測參數(shù)范圍內(nèi)，修正檢測參數(shù)。當(dāng)至少一軸的檢測確定信號不在預(yù)設(shè)的檢測參數(shù)范圍內(nèi)時，上位機會發(fā)出相應(yīng)的提示，操作人員可以根據(jù)提示對檢測參數(shù)進行修正，以使至少一軸的檢測確定信號處在檢測參數(shù)范圍內(nèi)；④在修正后的檢測參數(shù)基礎(chǔ)上獲取至少一軸的檢測確定信號；⑤根據(jù)軸向的優(yōu)先級對三維角度傳感器進行單方向檢測，軸向的優(yōu)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(jīng)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(tǒng)中所有的三維角度傳感器均完成了當(dāng)前軸向的檢測工作，結(jié)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(dāng)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(jié)束。

2 系統(tǒng)搭建

多通道三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng)，包括角度測試轉(zhuǎn)臺、多通道數(shù)據(jù)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(zhuǎn)臺上，與多通道數(shù)據(jù)采集裝置相連，角度測試轉(zhuǎn)臺與多通道數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動；數(shù)據(jù)采集裝置，用于采集角度測試轉(zhuǎn)臺上安裝的多個三維角度傳感器輸出的數(shù)據(jù)；上位機，用于接收數(shù)據(jù)采集裝置采集到的數(shù)據(jù)，對三維角度傳感器進行校準和檢測，并控制角度測試轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。其中，角度測試轉(zhuǎn)臺包括驅(qū)動裝置、多工位旋轉(zhuǎn)安裝平臺，驅(qū)動裝置與上位機相連，多工位旋轉(zhuǎn)安裝平臺包括16個工位。

圖3 測試系統(tǒng)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(shù)字信號采集和頻率信號采集[3]。本文設(shè)計系統(tǒng)支持模擬、數(shù)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(shù)字信號可實現(xiàn)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(tǒng)的電連接及測試，主要保證上位機與角度測試轉(zhuǎn)臺的通信正常，可實時調(diào)整轉(zhuǎn)臺進行定義角度旋轉(zhuǎn)。其中，上位機實際是通過控制驅(qū)動裝置實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺的控制。驅(qū)動裝置可以包括安裝架和驅(qū)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(nèi)依次轉(zhuǎn)動連接，驅(qū)動電機設(shè)置在支架的連接處，驅(qū)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(qū)動裝置發(fā)生轉(zhuǎn)動從而帶動角度測試轉(zhuǎn)臺。

（2）將待校準檢測的傳感器安裝在角度測試轉(zhuǎn)臺上（最多一次不超過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，保證上位機可通過多通道數(shù)據(jù)采集裝置實現(xiàn)對三維角度傳感器的數(shù)據(jù)采集。

（3）根據(jù)校準檢測控制策略設(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)字信號的采集，當(dāng)傳感器與其連接后，采集的數(shù)字信號則可以通過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。

（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(jù)角度測試轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動后傳感器反饋數(shù)據(jù)，以轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺角度為目標參照，檢測允許范圍內(nèi)X/Y/Z軸的角度值。

3 測試結(jié)果

分別采用本文校準檢測方法和單支產(chǎn)品校準檢測方法就校準檢測時間和零點檢測結(jié)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(jié)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(tǒng)，可實現(xiàn)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(jié)省時間，提供了一種便捷、高效的校準檢測方法。且實驗數(shù)據(jù)也反映，多通道三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng)，提升了產(chǎn)品一致性，相較于單支檢測零點檢測結(jié)果對比誤差降低40%，提高了產(chǎn)品檢測的準確性。

4 結(jié)論

本文中多通道三維角度傳感器校準檢測系統(tǒng)，在可實現(xiàn)不改變軸向安裝位置情況下，同時實現(xiàn)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(chǎn)品一致性，降低了成本，提高了該類傳感器產(chǎn)品校準與檢測效率。