本发明涉及测量技术领域，特别是涉及倾斜度测量相关领域，具体涉及一种高精度动态倾角测量方法及测量装置。
背景技术：
倾角传感器可以用来测量相对于水平面的倾角变化量，其理论基础是牛顿第二定律，根据基本物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度，如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移，所以倾角传感器其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。
当倾角传感器静止时，也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度，重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。一般意义上的倾角传感器是静态测量或者准静态测量，一旦有外界加速度，那么加速度芯片测出来的加速度就包含外界加速度，故而计算出来的角度不准确，因此，现在常用的做法是增加mems陀螺芯片，并采用优先的卡尔曼滤波算法，例如，加速度3个轴，陀螺仪3个轴，这类产品叫六轴测角传感器或垂直陀螺仪(verticalgyro，简称vg)。
目前常见的倾角传感器在动态测量时(传感器与被测物体一起处于运动、震动状态时)测量精度最高只有0.5°(例如北微传感科技生产的倾角传感器)，测量浮动在水面或水中的物体(船舶、潜艇、平台等各种结构物)的动态(航行、摇摆、震动等非静止状态)时，测量精度根本不够，无法反应浮动物体的准确浮态，也无法实现自身动态的自动、实时、准确测量。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种操作简单、测量效率高且测量精度高的高精度动态倾角测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
本发明高精度动态倾角测量方法，包括如下步骤：
a、在被测物体的x轴方向或y轴方向确定一需测量倾角的轴线，在所述被测物体上沿平行于被测轴线的方向依次安装液面测量部件一、液面测量部件二且二者之间间隔距离l；
b、为所述液面测量部件一、液面测量部件二内注入流体；
c、在所述液面测量部件一和/或液面测量部件二内安装传感器；
d、所述传感器分别测得在被测轴线处于未倾斜状态以及倾斜状态时所述液面测量部件一、液面测量部件二内的液面高度值，并获得倾斜前后液面高度的变化量h，将所述变化量h发送至角度计算及显示模块；
e、所述角度计算及显示模块计算得到被测轴线的倾斜角度α并显示输出，计算公式为：α＝atan(nh/l)/π*180，其中，n为传感器的数量。
本发明高精度动态倾角测量方法，所述步骤d中，将被测轴线未倾斜时传感器测得的所述液面测量部件一、液面测量部件二内的液面高度值设置为初始值，当被测轴线倾斜时引起所述流体流动，所述液面测量部件一、液面测量部件二内的液面高度发生变化，所述传感器测得此时的液面高度值并根据该高度值与初始值之间的差值获得所述变化量h。
本发明高精度动态倾角测量方法，所述步骤d中，所述传感器通过通讯模块将所述变化量h传输至角度计算及显示模块。
本发明高精度动态倾角测量方法，所述步骤b还包括：将所述液面测量部件一、液面测量部件二的底部、顶部分别连通。
本发明还提供了一种用于上述高精度动态倾角测量方法的测量装置，包括装设于被测物体上且内部均盛放有流体的液面测量部件一、液面测量部件二，所述液面测量部件一、液面测量部件二间隔布置且布置方向与所述被测物体的待测倾角的轴线平行，所述液面测量部件一和/或液面测量部件二内安装有传感器，所述传感器通过通讯模块与角度计算及显示模块电性连接。
本发明用于上述高精度动态倾角测量方法的测量装置，所述液面测量部件一、液面测量部件二的上部通过导气管相互连通。
本发明用于上述高精度动态倾角测量方法的测量装置，所述液面测量部件一、液面测量部件二的下部通过连通管相互连通。
本发明用于上述高精度动态倾角测量方法的测量装置，所述连通管上安装有流量调节阀，所述导气管上设置有气体调节阀。
本发明用于上述高精度动态倾角测量方法的测量装置，所述传感器为超声波传感器、雷达传感器、浮球传感器、液位传感器或位移传感器。
本发明高精度动态倾角测量方法及测量装置具有以下有益效果：
本发明通过在被测物体上沿平行于被测物体的某一轴线的方向取一位置安装探测液面变化情况的传感器，被测物体在该轴线上倾斜时，传感器获得液位高度的变化量h，结合传感器间的物理距离l，利用数学原理把长度变化量转化为角度变化量，从而获得高精度的倾角数据。本发明不但能应用在静态倾角测量，而且解决了目前现有倾角传感器在动态(运动或震动)下倾角测量时无法提供高精度测量结果的问题，在动态(运动或震动状态)时测量精度高达0.0006°，而且，根据被测物体大小，增加距离l可以进一步提高倾角测量精度。
综上所述，本发明基于三角函数原理，通过测量装置倾斜造成的液位高低变化来获得高精度倾角值，通过调节距离l便可获取市面现有测量设备无法比拟的超高精度值，切实保证了水面、水中物体的浮态倾角测量精度，特别适用于动态倾角的高精度测量。另外，本申请的测量方法操作简单，测量效率高，测量装置组件少，简单可靠，包装运输方便，算法简单，测量结果的精度容易验证且验证方便、验证成本低廉、可靠性高，准确反应了浮动物体的浮态实况，实现了被测物体自身动态的自动、实时、准确测量。
下面结合附图对本发明的高精度动态倾角测量方法及测量装置作进一步说明。
附图说明
图1为本发明高精度动态倾角测量方法及测量装置中测量方法的基本原理示意图。
图2为本发明高精度动态倾角测量方法及测量装置中测量装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本实施例提供了一种测量装置及使用该装置的高精度动态倾角测量方法，图1中，上开口的“u”字形表示测量装置，实线“u”字形表示测量装置未随被测物体倾斜的原始状态，虚线“u”字形则表示测量装置的倾斜状态，倾角α。
本申请的测量装置用于测量被测物体(船舶、潜艇、平台等结构物)发生倾斜时x轴或y轴方向的倾角大小，本实施例以测量x轴方向倾角为例进行说明，y轴方向同理，故不赘述。
上述测量装置包括内部均盛放有流体的液面测量部件一11、液面测量部件二12，液面测量部件一11、液面测量部件二12均装设于被测物体上且二者之间间隔距离l。同时，液面测量部件一11与液面测量部件二12高度相同且沿与x轴轴线平行的方向依次布置。液面测量部件一11和液面测量部件二12内安装有传感器7，实际应用中，可综合测量精度、使用环境及成本等因素选用现有产品，例如，超声波传感器、雷达传感器、浮球传感器、液位传感器或位移传感器等，此处不穷举。传感器7通过通讯模块6与角度计算及显示模块5电性连接，通讯模块6通过常见的有线或无线传输方式实现传感器7与角度计算及显示模块5之间的数据传输，以满足多种应用场景的使用需求。
为保证流道畅通以便被测物体倾斜时液面测量部件一11、液面测量部件二12内的液面高度及时变化，液面测量部件一11、液面测量部件二12的上部通过导气管4相互连通，下部通过连通管3相互连通。连通管3为直管或弯管，选用直管时流体流动更为顺畅。进一步的，为方便实时控制流速，连通管3上安装有流量调节阀2，导气管4上设置有气体调节阀，流量调节阀2、气体调节阀协同作用调节流体流速，有利于减少被测物体发生震动或其他运动时对液面变化的不利影响，过滤周期波动，减少其他运动状态对倾角测量结果的干扰。
利用上述测量装置的高精度动态倾角测量方法包括如下步骤：
a、确定测量被测物体在x轴方向的倾角后，在被测物体上沿平行于x轴轴线的方向依次安装液面测量部件一11、液面测量部件二12，液面测量部件一11、液面测量部件二12之间相隔距离l；
b、为液面测量部件一11、液面测量部件二12内注入流体，为保证流体顺畅流动，将液面测量部件一11、液面测量部件二12的底部、顶部分别连通，流体则选用不同粘度的液体或可以流动的物质，如硅油、液压油、润滑油等类似物，选用此类流体可利用阻尼效应来减少被测物体自身一定频率的震动、运动引起的极微弱液面变化，过滤与抑制周期波动，降低这些因素对倾角测量精度的不利影响；
c、在液面测量部件一11和液面测量部件二12内安装传感器7，作为一种变形方案，也可以在液面测量部件一11与液面测量部件二12中择一安装传感器7，这样减少了测量装置关键组件的数量，降低了硬件成本，而且整个测量装置结构更加简洁，同时显著减少了安装、维护工作量；
d、x轴线处于未倾斜状态(即水平状态)时，传感器7测得的液面测量部件一11、液面测量部件二12内的液面高度值设置为初始值，x轴线处于倾斜状态时引起流体流动，液面测量部件一11、液面测量部件二12内的液面高度发生变化，传感器7测得此时的液面高度值并根据该高度值与初始值之间的差值获得被测物体倾斜前后液面高度的变化量h，并通过通讯模块6将变化量h传输至角度计算及显示模块5；
e、角度计算及显示模块5计算得到x轴线的倾斜角度α并显示输出，计算公式为：α＝atan(nh/l)/π*180，其中，n为传感器7的数量，本实施例中，n为1或2，当液面测量部件一11或液面测量部件二12内择一安装一个传感器7时，n＝1，当二者都安装即安装2个传感器7时，n＝2。
基于该公式，变化量h、距离l取不同值时倾斜角度α的精度如表1所示。
表1：
下面以表1中的第一行数据为例对传感器7的选择以及距离l的确定原则进行说明：当倾斜角度α精度要求为0.0057°时，选用测量精度为0.001mm的传感器7，相应地，液面测量部件一11、液面测量部件二12之间的距离l为10m。其余数据同理，不一一说明。
被测物体倾斜时，在倾斜特征点位置的位移量可测量，本申请利用基础数学定理，通过在被测物体的不同轴线(x轴或y轴)上安装测量装置，用反正切函数，根据倾斜前后测量装置内的液面高度的变化量h获得高精度的微小角度变化量，便捷、高效、经济地获得被测物体在不同轴线(x轴或y轴)上的倾角，特别适用于大型、超大型物体的微小倾角变化的测量。而且，当被测物体处于动态(运动或震动)时，测量装置在特定位置的较弱的液面高度变化也可转换为较小的角度变化量，因此，本申请的测量方法及测量装置也特别适用于水面或水中物体(船舶、潜艇、平台等结构物)在运动或震动状态下的微小角度变化测量。而且，由表1可知，本申请的倾角测量精度高达0.0006°，远高于代表目前先进水平的北微传感科技生产的倾角传感器的测量精度(0.5°)，切实实现了动态倾角高精度测量，填补了技术空白。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
1.一种高精度动态倾角测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
a、在被测物体的x轴方向或y轴方向确定一需测量倾角的轴线，在所述被测物体上沿平行于被测轴线的方向依次安装液面测量部件一(11)、液面测量部件二(12)且二者之间间隔距离l；
b、为所述液面测量部件一(11)、液面测量部件二(12)内注入流体；
c、在所述液面测量部件一(11)和/或液面测量部件二(12)内安装传感器(7)；
d、所述传感器(7)分别测得在被测轴线处于未倾斜状态以及倾斜状态时所述液面测量部件一(11)、液面测量部件二(12)内的液面高度值，并获得倾斜前后液面高度的变化量h，将所述变化量h发送至角度计算及显示模块(5)；
e、所述角度计算及显示模块(5)计算得到被测轴线的倾斜角度α并显示输出，计算公式为：α＝atan(nh/l)/π*180，其中，n为传感器(7)的数量。
2.根据权利要求1所述的高精度动态倾角测量方法，其特征在于：所述步骤d中，将被测轴线未倾斜时传感器(7)测得的所述液面测量部件一(11)、液面测量部件二(12)内的液面高度值设置为初始值，当被测轴线倾斜时引起所述流体流动，所述液面测量部件一(11)、液面测量部件二(12)内的液面高度发生变化，所述传感器(7)测得此时的液面高度值并根据该高度值与初始值之间的差值获得所述变化量h。
3.根据权利要求2所述的高精度动态倾角测量方法，其特征在于：所述步骤d中，所述传感器(7)通过通讯模块(6)将所述变化量h传输至角度计算及显示模块(5)。
4.根据权利要求3所述的高精度动态倾角测量方法，其特征在于：所述步骤b还包括：将所述液面测量部件一(11)、液面测量部件二(12)的底部、顶部分别连通。
5.用于权利要求1所述的高精度动态倾角测量方法的测量装置，其特征在于：包括装设于被测物体上且内部均盛放有流体的液面测量部件一(11)、液面测量部件二(12)，所述液面测量部件一(11)、液面测量部件二(12)间隔布置且布置方向与所述被测物体的待测倾角的轴线平行，所述液面测量部件一(11)和/或液面测量部件二(12)内安装有传感器(7)，所述传感器(7)通过通讯模块(6)与角度计算及显示模块(5)电性连接。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于：所述液面测量部件一(11)、液面测量部件二(12)的上部通过导气管(4)相互连通。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于：所述液面测量部件一(11)、液面测量部件二(12)的下部通过连通管(3)相互连通。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于：所述连通管(3)上安装有流量调节阀(2)，所述导气管(4)上设置有气体调节阀。
9.根据权利要求5～8中任一项所述的测量装置，其特征在于：所述传感器(7)为超声波传感器、雷达传感器、浮球传感器、液位传感器或位移传感器。
技术总结