系统倾角动态测量误差的研究与应用

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Research and Application of Dynamic M easurement Error of the System AngleZHAO Huan-ling(Guizhou Vocational and Technical Colege，Guiyang，Guizhou 550009，China)Abstract： The paper introduced the angle measuring principle of the system angle sensor.The main dynamicmeasurement error occurring in the working process of system was analyzed.Aiming at the system noise caused inthe process of control，methods were adopted to set reasonable working bandwidth and second order low pass filte-ring for output of the sensor to improve the dynamic measurement precision of the system angle。

Key words： dip angle measuring，dynamic eror compensation，accuracy of measurement1 前言在油井测斜仪、航向姿态测量仪以及汽车稳定系统中，通常使用加速度计进行系统倾角的测量，利用固联在系统上的加速度计测量地球重力加速度在系统测量轴上的分量，经过系统解算获得载体的倾角。例如用于测量油井倾角的测斜仪，通过加速度计进行倾角测量，能够测量油井与水平面之间的绝对倾角角，同时，由于加速度计的输出仅与重力加速度有关，因此在油井的相同位置，保持测量仪器静止收稿日期：2013-06.12；修回日期：2013-06-20作者简介：赵焕玲(1975-)，女，工学硕士，讲师。研究方向：传感器研究。

E-mail：zhaozhl### 163.corn的情况下，测量的油井倾角不会随时间的推移而发生漂移。然而，在航向姿态测量仪以及汽车稳定系统中，系统在运动状态下，测量倾角的加速度计会因敏感系统运动噪声而产生误差，从而影响系统的倾角测量精度。

2 原理运用加速度计测量倾角的倾角传感器，主要通过利用加速度计敏感地球重力加速度分量 a ，通过对地球重力加速度分量进行三角函数解算，从而测量系统的倾角 0。当加速度计的敏感轴处于水平面时，地球重力加速度在加速度计的敏感轴上的分量为零，当加速度计的敏感轴与水平面之间存在-个角度时，加速度计便有输出，且输出的大小与加速度计敏感轴与水平面之间的角度呈正弦函数关系，当5期 赵焕玲：系统倾角动态测量误差的研究与应用 37加速度计的敏感轴铅垂于水平面时，加速度计敏感的是地球重力加速度 g。加速度计测量系统倾角的工作原理如图 1。

图1 加速度计测量系统倾角的工作原理图0 arcsin(gl/g)Fig.1 Working principle of accelerometermeasurement system Angle0 arcsin(g1/g)其中：：倾角；g ：地球重力加速度分量；g：地球重力加速度。

2 误差分析目前，运用加速度计进行倾角测量，在系统静止状态下，倾角测量误差主要由温度引起的漂移误差，加速度计稳定性重复性误差以及检测电路噪声引起的测量误差等。在系统运动状态下，加速度计敏感系统在运动中执行机构或液压稳定机构产生噪声，产生主要的系统动态误差，对倾角测量精度影响很大。同时，再将该误差反馈给系统执行机构，从而导致系统运动不平稳。

由于倾角传感器的加速度计稳定性及重复性误差很小，偏值及标度因数温度系数都较小，-般都采取实时零位补偿和分段温度标定补偿，能够较有效的消除零位漂移和温度漂移对输出的影响，通过零位补偿后，加速度计测量误差小于 1 m ，倾角静态测量误差小于 0.O1。，完全能够满足系统的静态测量倾角误差指标要求。

然而，在系统应用中，由于加速度计的带宽-般约为 400 Hz，系统运动过程中，系统倾角运动频率- 般都在0.5 Hz，因此系统运动产生的较高频率的机械噪声，会被加速度计敏感，便通过采样输出，造成较大的倾角动态测量误差，经过反馈给系统执行机构或液压稳定机构后，会在再平衡控制过程中，系统高低运动会发生抖动现象，不能满足系统动态使用要求。因此，在系统使用倾角传感器进行倾角测量时，需要对较高频率的机械噪声进行处理，从而满足系统倾角的动态测量精度，保证系统运动时平衡控制平稳。

3 误差补偿方法首先，针对倾角传感器零位进行补偿 ，通过使用加速度计敏感地球重力加速度 l g、-l g的输出，计算出加速度计的零位，并通过系统算法进行补偿，去除零位误差。

另外，针对系统运动时较高频率的机械噪声，在A/D前端增加压控型二阶低通滤波器加速度计信号调理电路，其截止频率为 l Hz，在阻带区，提供- 40db的衰减，增加干扰信号的衰减速度，有效抑制高频干扰。压控型二阶低通滤波器如图2。

UC图 2 压控型二bq"低通滤波器原理图Fig.2 Voltage control principle diagram ofthe second order low pass filter由于二阶滤波造成的输出延迟，也会影响系统再平衡运行精度，因此需要经过反复在系统上进行实际使用试验，最终确定合适的滤波参数。选取 C1.5 F，截止频率为 1 Hz，K，(1RF/Rf)2，fo1 Hz，电容比常数 0C /C 1。阻尼系数：.s×( R1 x C√精 -(Kp-1)×√ /由上述参数计算可得R 2R ，R R22R ，R1尺23R1： RF/Rr38 贵 埘 科 学 31卷Rz × 2-0 ×C ×2 ×3.14 × 1c √ 5。KR1 75 K，Rf R， ： 225 K更改后电路放大倍数 K 2，幅频特性无共振峰。

在对系统使用的加速度计输出采鹊低使用带宽及二阶滤波措施前后，监测系统倾角输出，结果如图 3、4所示 。

图3 未处理的倾角输出Fig.3 Untreated inclination of the output图4 动态误差处理后的倾角输出Fig.4 The Angle of the output after dynamiceror handling从图1、2可以看出，加速度计输出经过降低带宽，采取二阶低通滤波后，系统倾角测量动态误差得到很大改善。同时，在倾角测量输出经过反馈执行机构或液压机构再平衡的过程中，系统运动平稳。

4 结论综上，通过研究系统实际使用环境，合理设置加速度计工作带宽，利用二阶低通滤波器对系统环境的高频噪声进行处理，能够有效抑制系统倾角动态测量误差，从而提高倾角动态测量精度。

另外，由于系统在工作过程中，通过倾角传感器输出反馈给系统执行机构或液压稳定机构控制系统再平衡，导致在整个高低运动过程中都会有干扰，尤其在高低幅值最大值、最小值附近区域，即在系统运动最高点或最低点，此时运动速率小，执行控制难度较大，相对产生的噪声干扰就更大。此时，通过对加速度计输出采用动态误差补偿后，不可能完全去除该动态误差，系统会产生较小幅值的抖动。因此，还需要进-步对加速度计输出进行算法研究，更好的消除该项误差，从而保证在整个高低运动幅值范围内，系统再平衡控制平稳。

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