重力儀自動(dòng)調(diào)平支架的系統(tǒng)研制

張文杰，張 平，冀新臣

（有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012）

1 前言

重力勘探是傳統(tǒng)地球物理勘探方法之一，通過(guò)測(cè)量地下密度不均勻體引起的重力異常推測(cè)地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)分布情況，高精度重力勘探技術(shù)采集和研究微伽級(jí)重力異常，可充分發(fā)揮高精度重力勘探在解決細(xì)小地質(zhì)異常體領(lǐng)域里的優(yōu)勢(shì)。

金屬礦勘探中一般使用相對(duì)重力儀，具有輕便、精度高的特點(diǎn)，目前加拿大Scientrex 公司的CG-5 石英彈簧重力儀（如圖1 所示）和美國(guó)ZLS 公司的Burris 金屬?gòu)椈芍亓x應(yīng)用最為廣泛，二者質(zhì)量為6～8 kg，讀數(shù)分辨率可達(dá)1×10-8m/s2。由于重力方向鉛直向下，野外觀測(cè)中重力儀讀數(shù)時(shí)候需要保持水平狀態(tài)，從而獲得最準(zhǔn)確的重力數(shù)據(jù)，重力儀在未水平狀態(tài)下的讀數(shù)可產(chǎn)生較大的誤差。由于野外地形等工作條件的限制，通常測(cè)點(diǎn)位置都難以達(dá)到水平狀態(tài)，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)三腳架旋鈕使重力儀達(dá)到水平狀態(tài)，調(diào)平時(shí)間占據(jù)了操作員的大量時(shí)間和精力。如果有快速自動(dòng)調(diào)節(jié)水平的輔助支架，一方面可以降低操作員野外工作強(qiáng)度，同時(shí)大大提高測(cè)量質(zhì)量和速度。所以筆者利用51 單片機(jī)作為控制器，設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)調(diào)節(jié)水平的系統(tǒng)平臺(tái)供重力儀野外觀測(cè)使用，使得野外重力測(cè)量變得更加準(zhǔn)確、方便、快捷。

圖1 CG-5 重力儀

2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

調(diào)平系統(tǒng)主要由控制器（51 單片機(jī)）、角度傳感器模塊、步進(jìn)推桿、2 相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及超聲波測(cè)距模塊4 部分組成。編寫51 單片機(jī)程序之后，燒錄進(jìn)單片機(jī)。單片機(jī)上電后，接收角度傳感器的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，根據(jù)4 個(gè)方向的傾斜參數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的調(diào)整動(dòng)作，調(diào)節(jié)水平后，利用超聲波測(cè)距模塊測(cè)量重力支架的水平高度，在數(shù)碼管顯示出來(lái)。自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)工作原理如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)工作原理

2.1 STC89C52RC 單片機(jī)

本文使用的單片機(jī)是由STC 公司生產(chǎn)的STC89C52RC。此單片機(jī)是低功耗、高性能CMOS 八位微控制器，具有8 K字節(jié)可編程Flash 存儲(chǔ)器、512 字節(jié)的SRAM、5 K 的EEPROM、39 個(gè)IO 口。具有較強(qiáng)的抗干擾能力、寬電壓、不怕電源抖動(dòng)、超低功耗等特點(diǎn)，正常工作電流為7 mA。STC89C52 使用經(jīng)典的MCS-51 內(nèi)核，但是做了很多的改進(jìn)升級(jí)，使得芯片具有傳統(tǒng)51 單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

2.2 角度傾斜傳感器

角度傳感器使用的芯片為L(zhǎng)M393 和傾斜感應(yīng)傳感器，能靈敏地感知4 個(gè)方向的角度變化。角度信息以模擬量和數(shù)字量輸出到單片機(jī)，Vo1-x 方向模擬輸出0.5～4.5 V，Vo2-Y方向模擬輸出0.5～4.5 V，0.5～4.5 V 模擬量對(duì)應(yīng)0°～180°的角度值。Do1-right 方向傾斜TTL 電平輸出，低電平輸出0 V，高電平輸出3.6 V；D02-Left 方向傾斜TTL 電平輸出，低電平輸出0 V，高電平輸出3.6 V；D03-Down 方向傾斜TTL 電平輸出，低電平輸出0 V，高電平輸出3.6 V；Do4-Up方向傾斜TTL 電平輸出，低電平輸出0 V，高電平輸出3.6 V。系統(tǒng)采用了角度模塊輸出數(shù)字量，進(jìn)行編程，4 個(gè)方向上產(chǎn)生的高低電平，對(duì)應(yīng)了2 個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2.3 TB6600 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

由于單片機(jī)IO 口電流限制不能直接驅(qū)動(dòng)42 步進(jìn)電機(jī)，需要步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制推桿的正反轉(zhuǎn)，本次采用2 個(gè)TB6600 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電源采用直流9～42 V 供電，控制信號(hào)輸入電壓3.3～24 V 通用。細(xì)分精度1～32 細(xì)分可選。輸出峰值電流可達(dá)4.0 A，H 橋雙極恒流驅(qū)動(dòng)。輸入信號(hào)高速光耦隔離，內(nèi)置溫度保護(hù)和過(guò)流保護(hù)。電機(jī)噪聲優(yōu)化功能，最大功率為160 W。

2.4 步進(jìn)推桿

采用的2 個(gè)步進(jìn)推桿如圖3 所示，2 個(gè)步進(jìn)電機(jī)的伸長(zhǎng)和縮短調(diào)節(jié)著重力儀支架平面的水平。左側(cè)的步進(jìn)推桿控制著X方向的水平，下側(cè)的步進(jìn)推桿控制著X和Y方向的水平。推桿的行程可達(dá)10 cm，可調(diào)節(jié)范圍非常大，完全適用野外復(fù)雜地形起伏情況。當(dāng)推桿伸長(zhǎng)到最長(zhǎng)或者縮短到最短時(shí)候，限位開關(guān)導(dǎo)通，產(chǎn)生高電平返回給單片機(jī)，防止步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)。采用2 相42 步進(jìn)電機(jī)，可24 h 不停機(jī)工作，具有超長(zhǎng)工作壽命。輸入電壓范圍為9～36 V，金屬齒輪，帶自鎖功能，當(dāng)受到壓力時(shí)候不會(huì)縮短變形。推力可達(dá)250 N，速度為12 mm/s，滿足當(dāng)支架負(fù)載時(shí)候的動(dòng)力需求。野外生產(chǎn)使用時(shí)候，先將平臺(tái)置于松散地面踩實(shí)后，打開開關(guān)自動(dòng)調(diào)節(jié)水平。系統(tǒng)水平后自動(dòng)停止，確保重力儀讀數(shù)時(shí)候不會(huì)再調(diào)節(jié)水平造成干擾。

圖3 自動(dòng)調(diào)平支架平面圖

2.5 超聲波測(cè)距模塊

高精度重力測(cè)量過(guò)程中，高程的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，由于重力儀置于水平支架上觀測(cè)，會(huì)有一定的離地高度（0～15 cm），根據(jù)高度改正公式，1 m 的高程差異，高度改正可引起最大約0.309 mGal 的測(cè)量誤差。為保證數(shù)據(jù)采集精度，很有必要測(cè)量重力支架的高度。本系統(tǒng)利用超聲波測(cè)距快速地測(cè)量架高。超聲波測(cè)距提供非接觸式距離感測(cè)功能，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟硎遣捎肐O 口TRIG 觸發(fā)測(cè)距，給最少10 us 的高電平信號(hào)。模塊自動(dòng)發(fā)送8 個(gè)40 kHz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。有信號(hào)返回，通過(guò)IO 口ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間，距離=（高電平時(shí)間×聲速（340 m/s）÷2）。模塊工作電壓為5 V，功耗電流15 mA 探測(cè)距離2～400 cm，精度可高達(dá)3 mm。

3 程序設(shè)計(jì)

角度模塊的擺設(shè)方向、2 相4 線步進(jìn)電機(jī)接線等都會(huì)影響電機(jī)的伸長(zhǎng)與收縮方向。平臺(tái)要想正確運(yùn)行，就要進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)調(diào)平方向不正確時(shí)候只需將2 相電機(jī)中的一相線反接就行。程序的部分主要代碼如下所示。

4 結(jié)論

筆者根據(jù)實(shí)際重力測(cè)量工作中遇到的煩瑣的手動(dòng)調(diào)平，研制出重力儀自動(dòng)調(diào)平支架。本系統(tǒng)采用了國(guó)產(chǎn)單片機(jī)芯片（宏晶科技），價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定。相比國(guó)外儀器原裝進(jìn)口幾萬(wàn)元的手動(dòng)調(diào)平支架而言具有較高的性價(jià)比和實(shí)用性。步進(jìn)推桿每秒最大行程達(dá)1.2 cm，2 個(gè)步進(jìn)推桿同時(shí)運(yùn)行，所以平臺(tái)系統(tǒng)調(diào)節(jié)水平速度快，20 s 內(nèi)能將支架基本調(diào)節(jié)水平。相比野外重力測(cè)量前幾分鐘甚至更長(zhǎng)時(shí)間費(fèi)力地手動(dòng)調(diào)平準(zhǔn)備，大大提高了工作效率，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，使得野外重力測(cè)量變得更加準(zhǔn)確、方便、快捷。