基于角度编码器的数显倾角仪自动校准系统

数显倾角仪是常用的角度计量器具，主要分为条式电子数显倾角仪、矩形电子数显倾角仪和方盒电子数显倾角仪。根据国家相关测量标准，测量设备应按照规定的时间间隔或在使用前进行校准，因此为保证使用数显倾角仪时计量性能准确可靠，需定期进行校准测量。

研究人员提出了一些校准方法，如张伟等提出应用电机带动倾角仪同步旋转从而进行校准，此方法存在电机设备精度较低的缺点[1]。贾晓杰和黄玉珠提出采用光学分度头作为精密角度测量器具进行校准，但是校准过程中存在操作时测量示数不准确的缺点[2]。范中明等提出采用齿轮机械结构与角度编码器相结合的方法进行校准[3]，该方法在校准过程中需要人工操作旋转数显倾角仪，导致存在人为误差。因此需要设计研发一种精度高、自动化水平高、稳定性好的数显倾角仪校准系统。

1 数显倾角仪校准系统

数显倾角仪通过基准面旋转从而测量出倾斜角度，因此校准系统中的机械结构应具有0°基准面部件和与它相连接的转动部件，并且为了使数显倾角仪与转动部件一同旋转，还应设计相应的夹具，夹具的初始化位置为水平，即0°的位置。转动部件包括步进电机、传动轴及联轴器等。在程序控制下，通过运动控制卡驱动步进电机转动。数显倾角仪的精度一般为0.1°、0.01°，角度基准应高于其精度量级，因此采用精度为5″的角度编码器，使它作为转动角度的参考基准。由于数显倾角仪没有数据传输接口，因此对于数显倾角仪的示值采用CCD相机数字识别的方式进行记录，最后对记录的数据进行处理。数显倾角仪校准系统结构框图如图1所示。

图1 数显倾角仪校准系统结构框图

根据上述分析，数显倾角仪自动校准系统包括机械结构、夹具结构和控制系统。

机械结构。装置平台具有调平功能，底座下面安装3个调平千斤顶，底座上面放置相互垂直的两个高精度水准仪，通过调整调平千斤顶，同时观察水准仪气泡的位置，将整个底座调整到0°水平位置。将角度编码器、夹具、待校准倾角仪固定连接到同一传动轴上，从而消除高精度编码器与倾角仪转动过程中的相对误差。夹具与传动轴连接时，将夹具底板通过水准仪调至0°水平位置。计算机程序输出控制命令，由运动控制卡控制步进电机驱动传动轴，传动轴连接角度编码器和被校准倾角仪夹具。将CCD相机对准待校准倾角仪的液晶屏，并固定在夹具上随夹具转动。最后将上述部件合理安装在装置平台上(图2)。

图2 数显倾角仪校准系统

夹具结构。双轴倾角仪的测量原理如图3所示。倾角仪采用水平放置方式，某一时刻，测量对象的姿态角，记偏转角为α，俯仰角为β，即此时刻双轴倾角仪两个敏感轴(x轴和y轴)的位置与它对应的初始位置的两个夹角。因此夹具设计采用压紧滑块与弹簧压板相结合的方式，以满足对双轴数显倾角仪的不同摆放位置夹装，在校准x轴方向角度时，固定y、z轴向的方向；在校准y轴方向角度时，固定x、z轴向的方向。

图3 双轴倾角仪测量原理

控制系统。计算机程序对步进电机转动参数进行设置，由运动控制卡对步进电机旋转角度和转动速度进行控制，同时角度编码器的角度信号通过运动控制卡传输至计算机中。CCD相机采集数显倾角仪的示值图像并传输至计算机中，通过数字识别得到其示值数据。控制流程如图4所示。

图4 校准系统的控制流程

2 校准规范原则

根据《数显倾角仪校准规范》(JJF(浙)1057-2010)和《电子水平尺校准规范》(JJF 1119-2004)，需对数显倾角仪的示值误差、零值误差和示值重复性进行校准。

对示值进行校准时，根据倾角仪的不同类型，即不同精度和量程的倾角仪设定不同的取值间隔。一般将30°、60°和90°(相对于零点)设置为校准点，并在4个象限进行校准，也可增加校准点。记录高精度编码器与数显倾角仪各校准点的数据，各校准点的示值误差计算式为：

δi=αi-αis

式中 αi——数显倾角仪的第i个校准点的读数值；

αis——高精度编码器对应于第i个校准点的转动角；

δi——数显倾角仪的第i个校准点的示值误差。

对零值进行校准时，通过调平千斤顶和水准仪结构使得底座处于高精度的0°水平位置，再调整夹具使之处于高精度0°水平位置，读取数显倾角仪的数值，得到零值误差。

对数显倾角仪的示值重复性进行校准，转动角(相对于零点)为45°或选择测量范围1/2处，多次重复测量数显倾角仪在校准点的读数，示值重复性的标准不确定度计算式为[4]：

式中 n——重复测量次数，一般不少于10次；

S——数显倾角仪示值重复性的标准不确定度；

——数显倾角仪n次测量值的算术平均值。

3 校准结果

校准实验采用条式电子数显倾角仪作为校准对象，其精度为0.01°。

3.1 示值误差

校准时将360°分为4个象限，以30°为间隔进行校准。示值误差要求±0.02°。表1～4分别为4个象限的实验数据对比。从4个表中的数据可得最大误差不超过0.01°，满足示值误差要求，符合《电子水平尺校准规范》(JJF 1119-2004)的校准要求。

表1 第一象限实验数据 (°)

表2 第二象限实验数据 (°)

表3 第三象限实验数据 (°)

表4 第四象限实验数据 (°)

3.2 零值误差

数显倾角仪的零值误差要求为±0.01°。当角度编码器为0.000 4°时，数显倾角仪为0.00°，其误差小于0.01°，符合《电子水平尺校准规范》(JJF 1119-2004)的要求。

3.3 示值重复性

针对数显倾角仪30°校准点，在重复性条件下进行10次独立测量，得到的数据见表5。

表5 测量数据 (°)

则10次独立重复测量结果的平均值为：

αij=29.999°

用单次测量的实验标准差表示的单次测量结果的标准不确定度为：

.0145°

其自由度νx1=n-1=9。

单次测量结果重复性的标准不确定度为0.014 5°，符合《电子水平尺校准规范》(JJF 1119-2004)的要求，说明测量所得的数据可靠性较高。

4 结束语

设计的倾角仪校准装置采用高精度的角度编码器和水准仪，保证了整个装置具有较高的系统精度。设计的夹具结构，实现了对单轴和双轴数显倾角仪的装夹。设计的软件控制系统，实现了校准过程的自动校准，避免了人工操作所产生的误差并显著提高了校准效率。总之，本装置可以对多种类型的数显倾角仪进行校准，操作简单，自动化程度高，适用于实验室和现场校准。