基于測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)字軌距尺超高測(cè)量溫度修正方法

黃敏捷

（桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林541004）

基于測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)字軌距尺超高測(cè)量溫度修正方法

黃敏捷

（桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林541004）

為提高數(shù)字軌距尺在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用溫度范圍內(nèi)的超高測(cè)量精度，用高精度溫控轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)生參考角度，把傾角芯片所感應(yīng)的角度數(shù)據(jù)固化到數(shù)字軌距尺系統(tǒng)中，形成修正用測(cè)試數(shù)據(jù).在軌距尺實(shí)際使用過程中，通過溫度傳感器獲取實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合傾角傳感器的感測(cè)值，與測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸比較.利用STM32處理器的高速處理能力，實(shí)時(shí)計(jì)算修正值對(duì)當(dāng)前感測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正.通過比對(duì)測(cè)量結(jié)果，示值誤差減少0.28mm，證明本方法能大幅度提高傾角傳感器全溫度范圍的測(cè)量精度，對(duì)提高軌距尺超高測(cè)量精度有重大的實(shí)用價(jià)值.

數(shù)字軌距尺；傾角傳感器；溫度修正；程序算法

0　引言

目前我國(guó)市場(chǎng)上的數(shù)字軌距尺，都是使用基于MEMS技術(shù)的液態(tài)擺錘原理傾角傳感器SCA103T［1］對(duì)鐵軌超高進(jìn)行感測(cè).在20℃下SCA103T可以很好地滿足對(duì)鐵軌超高測(cè)量精度的要求［2］，但當(dāng)溫度發(fā)生較大變化后，超高感測(cè)值將會(huì)產(chǎn)生較大變化，有可能導(dǎo)致測(cè)量誤差超限；因此，需要對(duì)該芯片進(jìn)行溫度修正.

國(guó)內(nèi)的數(shù)字軌距尺大多數(shù)沒有進(jìn)行超高測(cè)量的溫度修正，個(gè)別廠家進(jìn)行的溫度修正［3］也只是依據(jù)SCA103T芯片的技術(shù)規(guī)格書里的零點(diǎn)偏置漂移系數(shù)0.002°／℃進(jìn)行全角度范圍的線性化補(bǔ)償.然而，通過實(shí)際測(cè)試，SCA103T在不同角度時(shí)不能僅僅依靠零點(diǎn)偏置漂移系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償.

本文將介紹一種基于SCA103T的多角度全溫度范圍測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)字軌距尺超高測(cè)量溫度修正方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)SCA103T的精確溫度修正，提高數(shù)字軌距尺超高［4］測(cè)量的精度.

1　傾角傳感器多角度全溫度范圍的感測(cè)數(shù)據(jù)獲取

使用中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)研制的某型高精度溫控轉(zhuǎn)臺(tái)［5］（圖1），模擬正負(fù)一共37個(gè)角度，溫度范圍-30℃～60℃.使用數(shù)字軌距尺自身的數(shù)據(jù)處理顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和讀取.測(cè)試數(shù)據(jù)見表1.

圖1　高精度溫控轉(zhuǎn)臺(tái)Fig.1 The high－precision turntable with temperature control function

表1　測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

2　當(dāng)前溫度修正方法的弊端

目前部分?jǐn)?shù)字軌距尺的超高測(cè)量算法中，依據(jù)芯片給出的零點(diǎn)偏置溫漂系數(shù)進(jìn)行溫度修正的超高示值h計(jì)算公式如下：

式（1）中：

h——數(shù)字軌距尺超高示值(mm)；

k——超高感測(cè)值(mm)；

0.002——傳感器官方提供的零點(diǎn)偏置溫漂系數(shù)(°／℃)；

l——軌距尺實(shí)測(cè)軌距(mm)（在測(cè)試試驗(yàn)中，l為常量1 435）；

70——基本軌上部寬度(mm)；

T——環(huán)境溫度(℃).

式（2）中：

α——傾角傳感器感測(cè)值（°）；

l——軌距尺實(shí)測(cè)軌距(mm)（在測(cè)試試驗(yàn)中，l為常量1 435）；

70——基本軌上部寬度(mm)；

通過測(cè)試試驗(yàn)，當(dāng)傳感器處于零位時(shí)，溫度變化－30℃～60℃，把試驗(yàn)數(shù)據(jù)k值帶入式（1），計(jì)算出來的h與H基本相同，偏差在0.05mm內(nèi)，說明當(dāng)傳感器處于零位時(shí)，基于式（1）的軌距尺超高溫度修正行之有效，超高示值h在軌距尺的使用溫度范圍內(nèi)均不會(huì)超出精度要求范圍，誤差在0.05mm內(nèi).

當(dāng)傳感器不處于零位時(shí)，溫度變化－30℃～60℃，把試驗(yàn)數(shù)據(jù)k值帶入式（1），計(jì)算出來的h與H有可能存在較大偏差.如當(dāng)T＝－10°C，H為70mm的時(shí)候，把k和T帶入式（1），得h＝70.3mm，h與H有0.3mm的偏差，軌距尺超高測(cè)量值出現(xiàn)較大誤差（軌距尺超高允差為±0.3mm）.縱覽表1，如用基于式（1）的方法進(jìn)行超高溫度修正，測(cè)量值出現(xiàn)大誤差的測(cè)試點(diǎn)很多，僅僅因?yàn)闇囟茸兓年P(guān)系引入的測(cè)量誤差就占允差的2／3.

在零位和非零位，SCA103T－D04傾角芯片呈現(xiàn)出不同的溫度特性，零位時(shí)可用芯片給出的零點(diǎn)偏置溫漂系數(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，而當(dāng)傾角芯片感應(yīng)出角度的時(shí)候，用給定的零點(diǎn)偏置溫漂系數(shù)按式（1）進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)男Ч⒉焕硐?

傾角傳感器從工作原理上可分為“固體擺”式、“液體擺”式、“氣體擺”式3種，固擺式的溫漂系數(shù)最小，但精度低且體積重量大，不適用于數(shù)字軌距尺.SCA103T－D04是基于MEMS技術(shù)的液態(tài)擺錘原理傾角芯片，特點(diǎn)是體積小、重量輕、價(jià)格便宜、線性擬合后常溫下精度達(dá)到±0.005°，零位偏置溫漂系數(shù)小，存在靈敏度溫漂系數(shù)，綜合來看這款傳感器非常適合用于數(shù)字軌距尺中的超高測(cè)量.筆者選用高速16位A／D轉(zhuǎn)換芯片，采集SCA103T－D04的差分電壓輸出，可以得到0.000 5°的分辨率.參照數(shù)字軌距尺的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，分辨率為≤0.002°.

3　基于測(cè)試數(shù)據(jù)的溫度修正方法

溫度漂移是電子元件普遍存在的問題.SCA103T－D04芯片是MEMS加速度計(jì)式傾角傳感器，它的核心部件是一個(gè)高穩(wěn)定硅微機(jī)械式電容傾角敏感元件，傳感器單元是差動(dòng)電容器，其輸出與加速度成正比.由于電容器極板間距尺寸、電介質(zhì)介電常數(shù)都受溫度的影響而發(fā)生變化，電容器也將隨溫度改變而改變，為降低溫度傳感器的溫度漂移，提高測(cè)量精度，必須對(duì)傳感器進(jìn)行溫度修正.

目前的數(shù)字軌距尺對(duì)SCA103T－D04T的溫度補(bǔ)償一般采用軟件補(bǔ)償法，通過溫度傳感器獲得環(huán)境溫度T，帶入式（1），計(jì)算出超高示值.然而，根據(jù)表1數(shù)據(jù)，利用式（1）計(jì)算出的超高示值在非零位測(cè)量時(shí)依然會(huì)出現(xiàn)大誤差情況，究其原因是：傳感器芯片的靈敏度隨溫度產(chǎn)生漂移，在有角度輸入的情況下，僅用式（1）進(jìn)行溫度補(bǔ)償并不能修正靈敏度溫漂對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響.

靈敏度溫漂系數(shù)與零點(diǎn)偏置溫漂系數(shù)共同對(duì)傳感器感測(cè)值的影響很難用類似式（1）這樣的連續(xù)函數(shù)描述；因此，筆者摒棄用公式對(duì)傳感器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)乃枷耄瑪M用軟件查表的方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償.表1就是用于溫度補(bǔ)償?shù)臏y(cè)試數(shù)據(jù)表.

3.1查表法有效可行性條件

3.1.1重復(fù)性

查表法進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)那疤釛l件是傳感器的重復(fù)性，即在相同條件下，對(duì)同一角度的感測(cè)值不變.經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，SCA103T－D04的重復(fù)性在0.002°之內(nèi)，轉(zhuǎn)化成超高為0.05mm.

3.1.2同溫度下相鄰測(cè)試點(diǎn)間誤差差值的絕對(duì)值小于0.3mm.

在表1的測(cè)試數(shù)據(jù)中，當(dāng)溫度T為－20°C，相鄰測(cè)試點(diǎn)標(biāo)稱值H1為20mm，則H2為30mm（或10mm），測(cè)試點(diǎn)H1感測(cè)值為18.1mm，誤差為1.9mm；測(cè)試點(diǎn)H2感測(cè)值為28.15mm，誤差為1.85mm，則誤差差值的絕對(duì)值為0.05mm.經(jīng)過計(jì)算，表1所有數(shù)據(jù)都滿足此條件.

當(dāng)此條件滿足時(shí)，可以認(rèn)為傳感器在感測(cè)相鄰測(cè)試點(diǎn)間的角度時(shí)，產(chǎn)生的感測(cè)值的誤差與此2點(diǎn)的感測(cè)值誤差近似相等，為進(jìn)一步提高修正值精度，修正值取相鄰測(cè)試點(diǎn)感測(cè)值誤差的算術(shù)平均值.

如果某兩相鄰測(cè)試點(diǎn)不滿足此條件，則可在這2個(gè)測(cè)試點(diǎn)間插入適當(dāng)測(cè)試點(diǎn)，直到條件滿足.

3.1.3同溫度下相鄰測(cè)試點(diǎn)的誤差數(shù)值符號(hào)一致

同溫度下相鄰測(cè)試點(diǎn)誤差數(shù)值符號(hào)一致時(shí)，可以判讀傳感器對(duì)測(cè)試點(diǎn)間的角度感測(cè)值均會(huì)出現(xiàn)偏大或偏小的情況，即誤差同向性.

經(jīng)過計(jì)算，表1的測(cè)試數(shù)據(jù)均滿足此條件.

3.2測(cè)試數(shù)據(jù)變量定義

把測(cè)試數(shù)據(jù)用二維數(shù)組表示，如表2所示.

表2　二維數(shù)組表Tab.2 Two－dimensional table

表2中：

H——超高（mm）；T——溫度(°C)；α——轉(zhuǎn)臺(tái)提供的轉(zhuǎn)角(°)；k——傳感器感測(cè)值(mm).

續(xù)表

3.3溫度修正公式

利用溫度傳感器測(cè)出傾角傳感器所處環(huán)境溫度T，傾角傳感器感測(cè)值為k.

當(dāng)：T在Tj與Tj+1之間，假設(shè)（Tj+1-T）＞（T-Tj），則溫度定位在Tj；k在kij和k（i+1）j之間；測(cè)試數(shù)據(jù)滿足3.1.1～3.1.3；則采用查表法對(duì)溫度進(jìn)行修正的超高示值h計(jì)算公式如下：

圖2　程序流程圖Fig.2 Program flow chart

3.4軟件程序算法

要運(yùn)用式（2）進(jìn)行超高溫度修正，在程序［6］中，首先，定位當(dāng)前溫度T至表2的任意列；其次，定位感測(cè)值k處于表2的任意兩行間.程序流程圖如圖2所示.

首先判斷溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)T位于表2任意2個(gè)溫度T值之間.采用逐一遞歸［7］比較的方法.即用T分別與Tj，Tj＋1代數(shù)求差，當(dāng)△Tj與△Tj+1同號(hào)時(shí)，累加j，繼續(xù)比較；當(dāng)△Tj與△Tj＋1異號(hào)時(shí)，判斷T在Tj和Tj＋1之間，停止比較.

找到T所在區(qū)間后，再比較△Tj與△Tj＋1的絕對(duì)值，如果△Tj≥△Tj＋1，則定位溫度在Tj＋1，反之定位溫度在Tj.

假設(shè)定位溫度在Tj，采用相同的方法判斷k處于表2中Tj溫度下任意2個(gè)k值之間，即用k分別與kij，k（i＋1）j代數(shù)求差，當(dāng)△kij與△k（i＋1）j同號(hào)時(shí)，累加i，繼續(xù)比較；當(dāng)△kij與△k（i＋1）j異號(hào)時(shí)，判斷k在kij和k（i＋1）j之間，停止比較.

把kij和k（i＋1）j帶入式（2），計(jì)算出經(jīng)過溫度修正后的超高值h并顯示.

3.5溫度修正結(jié)果比較

3.5.1常用方法修正

當(dāng)T＝－10℃，H＝70mm，基于表1測(cè)試數(shù)據(jù)，k＝68.75mm，l＝1 435mm，代入式（1），得修正過的超高示值h＝70.3mm.

當(dāng)T＝－20℃，H＝120mm，基于表1測(cè)試數(shù)據(jù)，k＝117.95mm，l＝1 435mm，代入式（1），得修正過的超高示值h＝120.05mm.

當(dāng)T＝40℃，H＝150mm，基于表1測(cè)試數(shù)據(jù)，k＝150.85mm，l＝1 435mm，代入式（1），得修正過的超高示值h＝149.8mm.

當(dāng)T＝60℃，H＝180mm，基于表1測(cè)試數(shù)據(jù)，k＝182.3mm，l＝1 435mm，代入式（1），得修正過的超高示值h＝180.2mm.

修正后的超高示值的示值誤差最大為0.3mm，平均示值誤差0.18mm.

3.5.2查表法修正

當(dāng)T＝－10℃，H＝70mm，基于表1測(cè)試數(shù)據(jù)，k＝68.75mm，l＝1 435mm，按照3.3介紹的程序算法，kij＝68.75mm，k（i＋1）j＝58.7mm，Hi＝70mm，H（i＋1）＝60mm，代入式（2），得修正過的超高示值h＝70.00mm

當(dāng)T＝－20℃，H＝120mm，基于表1測(cè)試數(shù)據(jù)，k＝117.95mm，l＝1 435mm，按照3.3介紹的程序算法，kij＝117.95mm，k（i＋1）j＝108.05mm，Hi＝120mm，H（i+1）＝110mm，代入式（2），得修正過的超高示值h＝119.95mm.

當(dāng)T＝40℃，H＝150mm，基于表1測(cè)試數(shù)據(jù)，k＝150.85mm，l＝1 435mm，按照3.3介紹的程序算法，kij＝150.85mm，k（i+1）j＝141.15mm，Hi＝150mm，H（i＋1）＝140mm，代入式（2），得修正過的超高示值h＝149.85mm.

當(dāng)T＝60℃，H＝180mm，基于表1測(cè)試數(shù)據(jù)，k＝182.3mm，l＝1 435mm，按照3.3介紹的程序算法，kij＝182.3mm，k（i+1）j＝172mm，Hi＝180mm，H（i＋1）＝170mm，代入式（2），得修正過的超高示值h＝180.15mm.

修正后的超高示值的示值誤差最大為0.15mm，平均示值誤差為0.08mm.

用2種方法對(duì)相同4個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，查表法超高示值誤差最大值降低了0.15mm，平均示值誤差降低0.1mm.與常用的溫度修正方法相比，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量精度［8］的大幅提高.

4　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的溫度修正方法，是一種基于單個(gè)傾角芯片的全溫全角度范圍特性，根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)利用軟件查表進(jìn)行偏差量修正的方法.程序算法簡(jiǎn)單，充分利用了數(shù)字軌距尺內(nèi)STM32［8］處理器高速運(yùn)算的特性，對(duì)二維數(shù)據(jù)表進(jìn)行篩選操作，大大提高了數(shù)字軌距尺超高測(cè)量的精度.

不足之處在于：測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，獲取時(shí)間較長(zhǎng)，把測(cè)得的數(shù)據(jù)寫入程序需要花費(fèi)不少時(shí)間，且人工操作容易出錯(cuò)，與數(shù)字軌距尺的量產(chǎn)要求有一定矛盾.接下來要盡力實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)化寫入［9］，即把測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)存入數(shù)字軌距尺處理器中，提高數(shù)字軌距尺的生產(chǎn)效率.

［1］施云貴.基于SCA103T實(shí)現(xiàn)的高精度傾角檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，25（3）：68－70.

［2］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG219－2008標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路軌距尺檢定規(guī)程［S］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2008.

［3］于娜，劉志遠(yuǎn)，趙佳龍.傾角傳感器的溫度補(bǔ)償研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（10）：14－16.

［4］王彥春.鐵路軌距尺的主要技術(shù)問題與對(duì)策［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2008，36（4）：22－24.

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［6］譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

［7］黃春艷.基于遞歸法在C語(yǔ)言項(xiàng)目實(shí)踐中的探索和應(yīng)用［J］.電腦編程技巧與維護(hù)，2014（4）：95－96，100.

［8］湯澤坤，唐培和.基于Stm32的光伏監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，26（4）：54－59.

［9］柯寶中.基于FPGA的乒乓式存取高速數(shù)據(jù)采集通道設(shè)計(jì)［J］.廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，26（1）：45－47.

（學(xué)科編輯：黎婭）

Method of digital track gauge superelevation measurement temperature correction based on test data

HUANG Min-jie
(School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004,China)

To improve ultrahigh accuracy of measurement of digital gauging rule within operating temperature range specified by national standard,the high-precision temperature-control rotary tables are used to generate reference angle,and the angle data induced by dip angle chip are solidified into digital gauging rule system to form test data used for amendment.During the practical using process of gauging rule,real-time environment data is obtained by temperature sensors to be compared by recursion with test data in combination with sensing value of tilt sensors. Modified value is computed in real time by utilizing high-speed processing ability of STM32 processor,so as to modify the current sensing data.By comparing measured results,it is shown that the indicated value error is reduced by 0.28mm,which proves that the measure accuracy of tilt sensors can be greatly improved within full temperature range.And this method has practical value for improving ultrahigh accuracy of measurement of gauging rule.

digital gauging rule,tilt sensors;temperature modification;programmed algorithm

TH712

A

2095-7335（2016）03-0082-07

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.015

2016-02-16

黃敏捷，工程碩士在讀，助理工程師，研究方向：控制系統(tǒng)集成，E-mail：195201744qq.com.