[发明专利]一种倾角检测装置及其角度解算方法

说明书

本发明涉及一种倾角检测装置及其角度解算方法，倾角检测装置包括敏感轴相互正交设置的第一、第二和第三加速度计；用于提供恒温空间的温控模块；用于抑制外界磁场波动的磁屏蔽模块；所述第一、第二和第三加速度计均设于温控模块和磁屏蔽模块所形成的空间内。上述倾角检测装置，在传统的三轴加速度计基础上，通过温控模块有效地降低温度带来的影响，并通过磁屏蔽模块降低磁场扰动所带来的误差，使两者引起的噪声大幅降低。本申请采用特定的算法修正加速度输出结果，从而实现角秒量级的高精度倾角检测。

技术领域

本申请涉及角度测量技术领域，具体涉及一种倾角检测装置，还涉及一种该倾角检测装置的角度解算方法。

背景技术

倾角检测装置譬如倾斜仪，是用于测量目标表面相对于当地水平面的倾斜角度的仪器。高精度倾斜仪是精密仪器研制的重要领域之一，极高精度的倾斜仪(分辨率达0.001角秒)可用于对地倾斜固体潮检测、地壳形变监测或地球动力学研究；高精度的倾斜仪(分辨率达0.1角秒)也可用于测量舰船、战车的倾斜角度，或者地质钻探、测井等领域。

在地球物理应用领域，基于不同的原理，有水管倾斜仪、水平摆/竖直摆/折叠摆倾斜仪、气泡倾斜仪、激光倾斜仪等类型，其精度极高但量程都很小，而且体积大，对使用环境的温度稳定度、残余振动等条件要求苛刻，甚至需要进行气压检测和同步改正。

在工程应用上的一些高精度商用倾斜仪，例如RION公司的倾斜仪，产品体积和功耗较小，其敏感结构为摆系，测量范围可以达到±15°，但分辨率和精度均有待提高。此外，部分采用ADXL335三轴加速度传感器构建的倾斜仪可以实现一个倾斜方向上接近±90°的测量，其测量精度只有约700角秒(0.2°)；受测量原理限制，在接近±90°时精度较差。

在具体的工作原理中，无论是基于摆系还是基于二轴加速度计的倾斜仪，其原理均为由当地重力加速度g₀在倾斜仪敏感轴上的分加速度解算角度，即θ＝arcsin(a/g₀)，a为摆系或加速度计测量得到的加速度。此时倾斜仪有两种安装方式：(1)两个加速度计的测量轴在接近水平面的位置。此时，当倾斜仪在不同的重力加速度g₀的环境下使用时，除非重新进行灵敏度标定，否则将出现不可忽视的系统误差；(2)当两个测量轴安装在其他方向时，只能测量仪器在两个轴所在平面内的转动，转动角由α＝arctan(a_y/a_z)式给出，其中a_y、a_z分别为两个敏感轴测量的加速度值。该方案不能准确给出安装平面相对于水平面的角度，因此具有明显的原理局限性。

基于三轴加速度计的倾斜仪，利用第三只加速度计的输出参与角度解算，可以从模型上有效克服上述局限性。但现有基于三轴加速度计的倾斜仪受到诸多因素的限制，例如加速度计的噪声、模型误差、角度解算方式、环境温度和磁场扰动误差等，其测量精度未能达到角秒量级。因此，现有基于加速度计方案的倾斜仪等倾角检测装置，其精度有待提高。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种倾角检测装置及其角度解算方法，抑制加速度计的噪声、模型误差、环境温度和磁场扰动等所带来的影响及误差，，并改进角度解算方式，以提高倾角检测的精度。

一种倾角检测装置，所述倾角检测装置包括：

敏感轴相互正交设置的第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计；

温控模块，用于提供恒温空间，以设置所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计；

磁屏蔽模块，用于屏蔽环境磁场的波动，所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计均设于所述磁屏蔽模块所形成的磁屏蔽空间内。

一种基于上述倾角检测装置的角度解算方法，所述倾角检测装置还包括伺服电路，所述角度解算方法包括：