深海海底原位觀測站傾角測量優化設計＊

程 凱，滕紹偉，楊國仁，鄭榮兒

（中國海洋大學光學光電子青島市重點實驗室，山東青島266100）

深海海底原位觀測站傾角測量優化設計＊

程 凱，滕紹偉，楊國仁，鄭榮兒＊＊

（中國海洋大學光學光電子青島市重點實驗室，山東青島266100）

設計1套傾角測量裝置，用以配合海底原位設備對深海環境探測。分析常規的低成本傾角測量方式的原理及存在的不足，提出采用差動輸入運算放大器對傳感器數據進行預處理、提高后期傾角分辨率的方案。實驗證明，這種方案能夠擴大輸出量程、提高傾角分辨率。在全角度范圍內，分辨率在（0.18（°），0.5（°））區間變化，能夠滿足海底觀測站對高精度傾角測量的要求。

深海；傾角測量；加速度計；運算放大器

深海原位探測對于深海資源的開發具有非常重要的意義，深海環境的特殊性對發展深海原位探測器提出了巨大的挑戰。對于深海探測，許多成分脫離深海環境，其測量不再有意義，因此發展原位傳感器就顯得尤為必要。美國Monterey Bay海洋研究所研制了深海激光拉曼光譜系統Doriss，致力于深海天然氣水合物研究，并通過PUP（precision underwater positioning）將原位探測器施放于海底，成功地進行了姿態調整［1］，傾角數據的獲取方式未做闡述。由國家863計劃資助研制的我國第一代深海原位激光拉曼光譜系統（Docars），目前進行多次海試并獲得了寶貴數據［2］。作為該系統的未來發展方向之一就是搭載ROV進行海底原位探測甚至長期觀測。為了使儀器設備艙能夠穩固地施放于海底，或著床后能進行姿態調整以獲得最佳的工作狀態，對設備艙姿態（三維傾角）的精確檢測便成為至關重要的技術環節。該項測量對其他海底探測長期工作站的吊裝施放也是必要的，施放設備的傾角監測數據可為甲板操作提供1個可靠的判斷依據，以保證施放過程的安全和系統的準確定位。本文旨在設計1套用于低功耗海底長期原位監測實驗樣機中的三維傾角監測單元，全角度范圍的分辨率在（0.18（°），0.5（°））區間變化，滿足對高精度、高分辨率、低成本的要求。

1 傾角測量方法

三維傾角的測量方法有多種，早期采用電位器式［3］、差動變壓器方式［4］，此類三維測量單元體積及成本都比較高，且耐沖擊性比較差。近年來隨著MEMS（Micro－Electro－Mechanical Systems，微機電系統）的迅猛發展，開始大量采用加速度計進行傾角測量。以Freescale公司的MMA7260［5］加速度計為例，它以3個軸向上受到的重力加速度矢量的分量來判斷物體所處的姿態。將其固定在被測物體表面上，當姿態改變后，重力加速度在加速度傳感器3個敏感軸上加速度分量隨之變化，因此可通過測量加速度的變化和三角運算來得到物體姿態的變化［6－7］。MMA7260在重力場中進行翻滾測試時，3個敏感軸的輸出特性基本一致，有很好的測量精度和靈敏度。圖1為坐標變換示意圖。

圖1 坐標變換示意圖Fig.1 The diagram of coordinate

傳感器3個敏感軸上的加速度分量（Ax、Ay、Az）和重力加速度之間存在1個夾角，滿足式（1）三角函數關系，據此可以用來測定恒定的加速度。恒定加速度的一個特例就是重力加速度，當加速度傳感器的X軸、Y軸和Z軸位置相對于重力場發生變化時，重力將在相應方向產生分量，測量3個方向的重力分量，可以計算出相應軸向上的傾角變化。由圖1可得：

2 常規傾角測量方法的缺陷

常規測量是采用單片機對加速度計數據直接進行A／D轉換得到傾角數據［8］。以X軸為例，當指向－1、0、1 g時，輸出值分別為0.85、1.65、2.45 V。在基準電壓為2.56 V時，10bit的A／D轉換分辨率為2.5 m V。也就是說，在［－1g，1g］的過程中，A／D值區間為［340，980］，并不能在［0，1 023］區間變化，分辨率降低為4.0 m V。X軸輸出電壓Ux滿足以下關系［5］：

其中α范圍是［－90（°），90（°）］?？梢娫诿舾休S與重力加速度平行時，電壓變化率最大，如表1所示。

表1 0（°）及90（°）附近傾角的A／D值Table 1 The ADC value near 0（°）＆90（°）

由表1可見，0（°）附近，角度精度及A／D分辨率都很好，可以滿足一般的精度要求；而在90（°）附近，分辨率很低，僅能達到4.53（°），對監測精度產生很大影響。因此，要使加速度計能夠在全角度范圍內達到較高精度，必須對90（°）附近的數據進行處理。

3 設計優化

3.1 硬件優化

改善90（°）附近數據分辨率較差的缺陷，可以采用提高A／D轉換分辨率的方法。例如14－bit的A／D，最接近90（°）時，能夠分辨的傾角為89.37（°），分辨率為0.63（°）；16－bit的A／D轉換器，能夠分辨的傾角為89.43（°），分辨率仍然不及0.5（°）。24－bit的A／D轉換器，能夠分辨的傾角為89.96（°），分辨率為0.04（°），但是隨即而來的卻是成本的大幅度提高。因此在后續優化中，采用了差動輸入運算放大器的方案，即：將輸入電壓與參考電壓Vref相減的差值放大后進行A／D轉換，以提高分辨率，降低誤差。原理圖見圖2，放大倍率Aod＝R1／R2＋1。

圖2 采用運算放大器預處理輸入信號Fig.2 Preprocess input signal through operational amplifier

當設置A／D轉換器的基準電壓為2.56 V時，10bit A／D轉換的最小分辨電壓為2.5 m V，放大后的最小分辨電壓Umin即為（2.5／Aod）m V。接近90（°）時，Ux＝2.45－Umin，由式（2），Umin對應的傾角可表示為

而Umin＜2.5 m V，須經放大處理后才能被當前A／D轉換器所分辨。

表2是Aod取不同值時，（2.45－Umin）對應最接近90（°）的傾角數據。

表2 不同放大倍率下能夠分辨的最接近90（°）的傾角Table 2 The tilt angle closest approach 90（°）can be resolved at different gain

由表2可見，放大倍率越大，得到的傾角越精確。但是，一味地追求高放大倍率，在參考電壓的選取上就要求更加準確，因此僅對變化率較大的區間進行處理即可。取傾角為69.64（°）的電壓2.40 V作為基準電壓，此時與滿量程電壓2.45 V差0.05 V，放大50倍為2.50 V，小于2.56 V；放大100倍后為5.00 V，大于2.56 V，此時可以通過改變A／D轉換基準電壓的方法來彌補超量程的不足。放大100倍已經可以達到精度0.5（°）的要求，因此不必選取更高的放大倍率。轉換放大倍率可以通過單片機控制電子開關切換反饋電阻的方式實現。

圖3 采用可變倍率運算放大器預處理輸入信號Fig.3 Preprocess input signal through variable－gain operational amplifier

3.2 軟件優化

差動輸入運算放大器的方案主要用在變化率開始變大的角度區間，即敏感軸與1g接近平行時；而在小角度區間，采用上述方案很容易超量程。因此在全角度采樣時，將Xout1（電壓區間［0.85，2.45］）和Xout均作為輸入電壓。小角度區間，采信Xout1數據，接近平行區間，采信Xout數據。圖4為軟件流程圖。

圖4 軟件流程圖Fig.4 The software flow chart

3.3 結果分析

為了得到更高的測量精度，需要校準加速度傳感器的參數，可以采用重力場1g標定法。對于低g的加速度傳感器，重力場是最穩定精確的加速度參考量。以X軸為例，將加速度傳感器固定于穩定的可調平臺上，不斷微調底腳高度，使敏感軸的方向與重力方向趨于一致。當測量到輸出最大電壓值時（另由其他電路顯示并記錄），表明此時X軸輸出為重力加速度。

實驗室環境下（青島，g＝9.798 4 m／s2），對［0（°），90（°）］區間的傾角進行分段轉換，區間劃分見圖5，轉換結果見圖6。

圖5 轉換區間Fig.5 The extents of conversion

由圖6可見，3個區間上A／D轉換的輸出與傾角變化接近線性關系，［0（°），70（°））區間傾角電壓不放大，對［70（°），81（°））和［81（°），90（°）］區間分別進行50、100倍放大，分辨率令人滿意。尤其是［88（°），90（°）］區間，分辨率達到0.5（°），相比優化前4.53（°）提高了近一個數量級。［－90（°），0（°）］區間除電壓數據不同外，其他處理方法與此相同，從而可實現全角度的傾角測量。

圖6 3區間變倍率A／D轉換結果Fig.6 The ADC results as a function of tilt angle at three different gain

4 結語

采用差動輸入運算放大器形式，分區間對傾角數據進行A／D轉換，使分辨率大幅提高，實現了全角度范圍內精確采集傾角數據的目的，分辨率在（0.18（°），0.5（°））區間變化，尤其在敏感軸與1g接近平行時的分辨率有很大改善，實驗室測試得到了令人滿意的結果。海底原位觀測站在能源供給充足的情況下，能夠根據傾角數據對自身姿態進行調整，使原位探測獲得最佳工作狀態。這種傾角分段測量技術可以推廣到其他對成本有要求的場合。

［1］ Sheri N，White，William Kirkwood，et al.Development and deployment of a precision underwater positioning system for in situ laser Raman spectroscopy in the deep ocean［J］.Deep－Sea Research I，2005，52（12）：2376－2389.

［2］ 國家高技術研究發展計劃課題驗收技術報告［R］.北京：深海原位激光拉曼光譜系統課題組，2010.

［3］ 張禮莉，孫傳友.數字式傾斜儀設計［J］.科技信息（學術研究），2007，32：86－88.

［4］ 柏受軍，張榮標.差動變壓器式大量程精密角位移傳感器的設計［J］.傳感器與微系統，2006，11：63－65.

［5］ Data Sheet.±1.5g－6g Three Axis Low－g Micromachined Accelerometer［EB／OL］.（2008－03）［2010－12］.http：／／www.freescale.com／files／sensors／doc／data＿sheet／MMA7260QT.pdf.

［6］ 田小芳，陸起涌，熊超.基于加速度傳感器的傾角儀設計［J］.傳感技術學報，2006，19（2）：361－363.

［7］ 吳延榮，王克河，王桂娟，等.基于MMA7260Q的數字傾角傳感器設計［J］.微計算機信息，2010，26（7－1）：113－114.

［8］ 蘇維嘉，王旭輝.新型加速度傳感器在傾角測量中的應用研究［J］.機械研究與應用，2007，20（5）：62－65.

The Optimal Design of Tilt Angle Measurement Based on Operational Amplifier for In－Situ Monitoring Station of Deepsea Benthic

CHENG Kai，TENG Shao－Wei，YANG Guo－Ren，ZHENG Rong－Er
（The Laboratory of Optics and Optoelectronics，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

Developed a tilt angle measuring device，in order to assist the detection of deep－sea for In－situ monitoring station of deep－sea benthic.Detailed analyzes conventional low－cost angle measurement methods，principles and shortages.New approaches to data pre－processing and angle resolution improvement are introduced in details using operational amplifier with differential input.The function of this device is verified in laboratory，it can extend the scope of output signal，increase the resolution of tilt angle.In 360 degrees range，the minimum resolution is 0.18（°）and the maximum is better than 0.5（°）.The well performance suggests that it has great potential to be used in the deep－sea benthic of all kinds of angle measurement.

deep－sea；measurement of tilt angle；accelerometer；operational amplifier

TP274

A

1672－5174（2011）11－120－04

國家高技術研究發展計劃項目（2006AA09Z243）資助

2010－12－10；

2011－05－25

程 凱（1974－），男，工程師，博士生，研究方向：海洋信息探測與處理。

＊＊通訊作者：E－mail：rzheng＠ouc.edu.cn

責任編輯 陳呈超