【正文】 ............ 34 及顯示 程序 ................................... 34 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 ................................................... 34 角度采集 ........................................................... 35 單片機(jī)控制程序 ..................................................... 35 結(jié) 論 ...................................................................... 37 致 謝 ...................................................................... 38 參考文獻(xiàn) ................................................................... 39 附 錄 1 英文 參考 文獻(xiàn) 及其譯文 ................................................ 41 附錄 2 程序源代碼 .......................................................... 56 附錄 3 原理圖 .............................................................. 61 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)）用 紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 第 1 頁(yè) 第 1 章 緒論 角度測(cè)量 研究意義 我國(guó)是世界文明發(fā)達(dá)最早的國(guó)家之一，有著悠久的角度計(jì)量歷史。從現(xiàn)己出土的部分文物及史料記載，在公元前幾百年的戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，我國(guó)就已經(jīng)有了簡(jiǎn)單的角度量具 —銅矩尺。它與現(xiàn)代測(cè)量直角的直角尺形狀相似，是我國(guó)目前發(fā)現(xiàn) 的最早的角度量具。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，角度測(cè)量技術(shù)也在不斷地改進(jìn)和提高。特別是在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中，角度是機(jī)械、儀器儀表和電子產(chǎn)品制造業(yè)中的重要幾何參數(shù)之一，它的準(zhǔn)確度直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量與壽命，因而角度測(cè)量在現(xiàn)代工業(yè)中占有重要的地位。特別是近十幾年，隨著角度感器的發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)在這方面的應(yīng)用，使角度測(cè)量技術(shù)上升到了一個(gè)新的高度，測(cè)量范圍和精度都有了很大的提高。如何進(jìn)一步改進(jìn)角度測(cè)量手段對(duì)提高加工精度和科學(xué)研究等方面都有十分重要的意義。 角度是一個(gè)十分重要的物理量。在國(guó)際上明確規(guī)定弧度 (平面角單位 )和球面度 (立體 角單位 )是國(guó)際單位制中除七個(gè)基本物理量以外僅有的兩個(gè)輔助單位。角度有四種表示形式，分別為弧度制、 百進(jìn)制、密位和 六十分制。 角度側(cè)量是計(jì)量科學(xué)的重要組成部分，特別是微小角度的測(cè)量在精密加工，航空航天，通訊和軍事等許多領(lǐng)域都具有非常重要的作用和意義。 角度測(cè)量的重要工具是 角度傳感器 。角度傳感器 主要用來(lái)測(cè)量固定部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間的旋轉(zhuǎn)角度。隨著自動(dòng)控制水平的不斷提高，作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要元件，角度傳感器得到了迅速的發(fā)展，逐漸成為儀表測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)化、信號(hào)檢測(cè)和航空航海等領(lǐng)域的一種重要傳感器。 角度傳感器應(yīng)用范圍廣泛 ，已進(jìn)入我們的生活的方方面面。 諸如慣性導(dǎo)航、機(jī)械控制、無(wú)人駕駛飛行器、指揮儀、雷達(dá)、導(dǎo)彈、各種火炮、航天飛機(jī)和衛(wèi)星等，均需要對(duì)方位角或俯仰角等多種動(dòng)態(tài)角度進(jìn)行精密測(cè)試。 SSA00 系列標(biāo)準(zhǔn)版傾角傳感器配合液位傳感器用于山體滑坡或雪崩監(jiān)測(cè)，通過(guò)無(wú)線傳感系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)山體狀態(tài)，可以有效減小山體滑坡帶來(lái)的損失。 大壩垮塌事故已經(jīng)發(fā)生過(guò)，為了及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，減少財(cái)產(chǎn)損失，通過(guò)傾角傳感器 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)）用 紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 第 2 頁(yè) 的監(jiān)測(cè)、觀測(cè)儀器和設(shè)備，以及時(shí)取得反映大壩和基巖性態(tài)變化以及環(huán)境對(duì)大壩作用的各種數(shù)據(jù)的觀測(cè)和資料處理等工作 。其目的是分析估計(jì)大壩的安全程度，以便及時(shí)采取措施，設(shè)法保證大壩安全運(yùn)行。 為了實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的三維空間定位，在安裝工作裝置個(gè)關(guān)節(jié)角度傳感器的基礎(chǔ)上，又安裝平臺(tái)回轉(zhuǎn)角度檢測(cè)裝置和平臺(tái)傾角傳感器，并在斗桿上安裝激光接收儀用于檢測(cè)地面激光發(fā)射器發(fā)射的水平機(jī)關(guān)相對(duì)于接收儀零位的高度。建立挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模式，推導(dǎo)車體相對(duì)于大地的坐標(biāo)變換矩陣，即完成三維空間的車體定位，并得到常用簡(jiǎn)單的車體高程定位公式，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)挖掘軌跡的三維空間定位為實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的三維空間軌跡精確與挖掘機(jī)深度控制打下基礎(chǔ)。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，汽車 的安全性、舒適性和智能性越來(lái)越高。汽車側(cè)向傾斜角度傳感器的應(yīng)用是防止汽車在行駛中發(fā)生傾翻事過(guò)的一種有效方法。是提高汽車安全性的重要措施，特別是越野車。雙層客車等重心較高的汽車更有必要性。汽車傾翻的實(shí)質(zhì)是：行駛中向外的傾翻力矩大于向里的穩(wěn)定力矩，當(dāng)重心高度一定時(shí)，傾斜力矩油傾翻力（向外的側(cè)向力）決定。 近年來(lái)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展很快，歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家早就開始對(duì)各種機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)的研究，隨著科技的進(jìn)步和時(shí)的推移，取得了大量的研究成果。我們知道機(jī)器人上應(yīng)用了大量的傳感器，其中傾角傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的狀態(tài)。 目前 的軌道測(cè)量方式智能程度差 ,測(cè)量精度低 ,操作時(shí)間長(zhǎng) ,迫切需要設(shè)計(jì)一種適用于一般工務(wù)段使用的便攜式智能化軌道檢測(cè)儀傾角傳感器用于軌檢儀，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)鐵道的傾斜度和高度差。 輸電線鐵塔的倒塌事件時(shí)有發(fā)生，一旦發(fā)生倒塌，將會(huì)造成巨大的損失，傾角傳感器應(yīng)用于輸電線鐵塔傾斜角度監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線傾斜角度，一旦因?yàn)榇箫L(fēng)等自然災(zāi)害導(dǎo)致傾斜角度過(guò)大，實(shí)時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，由工作人員維修減少損失。 傾角傳感器在船載水平平臺(tái)上應(yīng)用，用于船載衛(wèi)星跟蹤天線的底座，以保持天線始終處于水平狀態(tài)，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可以隔離船體的俯仰和 橫滾運(yùn)動(dòng)，使平臺(tái)處于水平。 太陽(yáng)能是一種清節(jié)的能源，它的應(yīng)用正在世紀(jì)范圍內(nèi)普遍的增長(zhǎng)，利用太陽(yáng)能發(fā)電就是一個(gè)使用太陽(yáng)能的方式，因此為了得到充足的利用太陽(yáng)能，如何選擇太陽(yáng)能電池方位角與傾斜角是一個(gè)重要的問(wèn)題，利用傾角傳感器調(diào)整角度，將太陽(yáng)能的利用率進(jìn)一步提高。 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)）用 紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 第 3 頁(yè) 角度測(cè)量 研究現(xiàn)狀 角度測(cè)量一般是通過(guò)傳感器獲取轉(zhuǎn)角信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)量，再通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。隨著微處理器和集成芯片的發(fā)展，對(duì)輸出信號(hào)的處理日趨完善，功能也日益強(qiáng)大，可直接顯示、打印、記錄、儲(chǔ)存或供給控制系統(tǒng)，完成測(cè)量或控制的功能。 角度傳感器的應(yīng)用十分廣泛，涉及眾多的行業(yè)，如機(jī)械加工、航空航天、智能機(jī)器人等，在當(dāng)今的工業(yè)技術(shù)中占有重要的一席之地。 在機(jī)械工業(yè)中，處處需要角度測(cè)量。例如各種機(jī)床部件的水平和垂直位置的調(diào)整、生產(chǎn)中各零部件角度的檢驗(yàn)、各種圓分度誤差的檢驗(yàn)以及切削刀具角度的檢驗(yàn)等生產(chǎn)操作都離不開角度的測(cè)量。一般來(lái)說(shuō)，依靠圓分度的機(jī)械式角度測(cè)量裝置精度較低，但在引入了多齒分度技術(shù)后，一般被認(rèn)為精度不很高的機(jī)械式角度測(cè)量?jī)x器也有了新的發(fā)展。例如一種類似于齒輪端面離合器結(jié)構(gòu)形式的多齒分度盤，己成為圓分度的重要器件。它可使分度差誤差本 來(lái)較大的單個(gè)齒盤，通過(guò)兩個(gè)相同齒盤的緊密嚙合后的平均效應(yīng)將分度精度大為提高，目前己能達(dá)到躍居高精度圓分度行列。以多齒分度盤為圓分度器件的多齒分度臺(tái)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便和對(duì)使用環(huán)境要求不高等許多優(yōu)點(diǎn)。而且通過(guò)不同嚙合齒數(shù)的兩對(duì)以上齒盤的差動(dòng)或細(xì)分裝置，可獲得較小的分度間隔。多齒分度技術(shù)的出現(xiàn)，為提高機(jī)械分度精度開辟了新的途徑。機(jī)械式的角度測(cè)量技術(shù)發(fā)展得相對(duì)比較成熟，近幾年對(duì)角度測(cè)量技術(shù)的研究和應(yīng)用大都在光電技術(shù)上尋找突破口。特別是隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，誕生了多種多樣的角度傳感器。通常按工作原理來(lái)分有電 位式角度傳感器、電阻應(yīng)變式角度傳感器、光柵式角度傳感器、磁柵式角度傳感器、感應(yīng)同步器和碼盤式角度傳感器等。各類角度傳感器的主要性能匯總在表 11，表中數(shù)據(jù)為近似值，鑒于同種原理有不同測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理方式，故得到的精度和分辨率并不一定相同。以下介紹幾種典型的角度傳感器： 表 11 角度傳感器的主要性能量程 原理 量程 精確度 線性度 分辨率 特點(diǎn) 光電電位器式 0176?！?330176。 ～3% 無(wú)附加力矩，分辨率較高，壽命長(zhǎng)，響應(yīng)快，線性度較差 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)）用 紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 第 4 頁(yè) 電阻應(yīng)變式 177。180176。 177。% ～% ～% 性能穩(wěn)定可靠 激光式 177。45176。 d=50cm時(shí)為 精度高，常作為計(jì)量基準(zhǔn)；設(shè)備復(fù)雜，成本高 光柵式 360176。 最高177。 精度高，易數(shù)字化，能動(dòng)態(tài)測(cè)量， 既可用于整圓測(cè)量，也可用于非整圓測(cè)量， 對(duì)環(huán)境要求較高 陀螺式 177。30176。～ 70176。 漂移率2176。min ～176。∕h 177。2% 能測(cè)量動(dòng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)角，機(jī)械陀螺精度低，采用新型結(jié)構(gòu)和原理（如激光）時(shí)精度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求高 應(yīng)變計(jì) 式 177。180176。 1% 測(cè)量范圍大，性能穩(wěn)定可靠，應(yīng)用范圍廣，既 可測(cè)角位移和角度，稍加改進(jìn)還可以測(cè)量?jī)A角 感應(yīng)同步器 360176。 177。（ ～1) 精度較高，易數(shù)字化，能動(dòng)態(tài)測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境要求低，電路較復(fù)雜 碼盤式 360176。 分辨率高，精度高，易數(shù)字化，非接觸式，壽命長(zhǎng)，功耗小，可靠性高，電路較復(fù)雜 激光式 177。45176。 精度高，設(shè)備復(fù)雜，成本高 微動(dòng)同步器 177。40176。 1% 177。% 2 分辨率高，無(wú)接觸， 體積小，結(jié)構(gòu)可靠，線性度好， 測(cè)量范圍小，電路較復(fù)雜 霍爾傳感器 360176。 177。1176。 % 結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，精度較低，生產(chǎn)成本低 電容式 70176。 25 分辨率高，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 重量輕，體積小，不受電磁場(chǎng)干擾，也不產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)，反力矩小，需用的電源功率小，本身電容量小，內(nèi)阻抗高，分布參數(shù)影響較大，對(duì)外界干擾較敏感， 需屏蔽 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)）用 紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 第 5 頁(yè) 主要角度傳感器介紹 電位器式角度傳感器 電位器是一種常用的電子元件，在儀表與傳感器中可作為傳感元件，把輸入的機(jī)械位移 (角位移或線位移 )轉(zhuǎn)換成與之成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。電位器式角度傳感器的原理類似一個(gè)滑動(dòng)變阻器，將導(dǎo)線緊密地纏繞在骨架上，導(dǎo)線 上裝有一電刷，當(dāng)電刷位置改變時(shí)，電阻隨之改變且阻值的變化與所轉(zhuǎn)角度成一定函數(shù)關(guān)系。非線繞式的原理與線繞式的一致，不同的是在骨架上噴導(dǎo)電層或用導(dǎo)電材料制成骨架。骨架的形狀可根據(jù)需要定制，用作測(cè)角傳感器時(shí)一般做成圓弧形。這類角度傳感器市場(chǎng)上比較常見(jiàn)，精度一般不高，適合一般的測(cè)量場(chǎng)合。例如上海智松傳感科技有限公司生產(chǎn)的 WDJ 型號(hào)的角度傳感器，其線性精度最高為 %。 光柵式角度傳感器 光柵式角度傳感器是依據(jù)莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量的。兩塊柵距相等的光柵夾角為 0 時(shí)，在單側(cè)光源的照射下會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋現(xiàn)象。光 通過(guò)兩塊光柵后光能量的分布是一個(gè)近似的正弦波 [5J。光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)周期時(shí)，莫爾條紋對(duì)應(yīng)變化一個(gè)周期。此時(shí)在光柵背面設(shè)置一個(gè)光欄，并用光電元件來(lái)接受透過(guò)兩塊光柵的光能量，則光電元件輸出的電壓信號(hào)將隨著光柵的移動(dòng)而變化，移動(dòng)一個(gè)柵距變化一個(gè)周期?？筛鶕?jù)變化的周期來(lái)測(cè)量線位移或角位移。光柵式角度傳感器的精度主要取決于光柵的刻線密度，密度越大的精度越高，常用的是 300 一 1500 線 /毫米。受加工水平的影響，其密度不可能無(wú)限提高。目前關(guān)于光纖光柵的研究比較熱門，總的來(lái)說(shuō)，近幾年用光柵的干涉原理來(lái)測(cè)量線位移或角位移的 研究比較多而且精度較高，如 NPL 測(cè)角儀的不確定度為 秒。 磁感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器由兩個(gè)平面繞組組成，一個(gè)是連續(xù)繞組，另一個(gè)是分段繞組，有偶數(shù)段，分成 A、 B 兩相，兩者的分段繞組相互間隔。這是一種多極感應(yīng)元件，能對(duì)誤差起補(bǔ)償作用，精度較高。連續(xù)繞組通上穩(wěn)定的交流電，當(dāng)兩個(gè)面的繞組有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，分段繞組上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)柵距電流變化一個(gè)周期。 A 相與 B 相相差二，可以用鑒相或 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)）用 紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處