重力仪自动调平支架的系统研制

张文杰，张 平，冀新臣

（有色金属矿产地质调查中心，北京 100012）

1 前言

重力勘探是传统地球物理勘探方法之一，通过测量地下密度不均匀体引起的重力异常推测地质构造和矿产分布情况，高精度重力勘探技术采集和研究微伽级重力异常，可充分发挥高精度重力勘探在解决细小地质异常体领域里的优势。

金属矿勘探中一般使用相对重力仪，具有轻便、精度高的特点，目前加拿大Scientrex 公司的CG-5 石英弹簧重力仪（如图1 所示）和美国ZLS 公司的Burris 金属弹簧重力仪应用最为广泛，二者质量为6～8 kg，读数分辨率可达1×10-8m/s2。由于重力方向铅直向下，野外观测中重力仪读数时候需要保持水平状态，从而获得最准确的重力数据，重力仪在未水平状态下的读数可产生较大的误差。由于野外地形等工作条件的限制，通常测点位置都难以达到水平状态，需要手动调节三脚架旋钮使重力仪达到水平状态，调平时间占据了操作员的大量时间和精力。如果有快速自动调节水平的辅助支架，一方面可以降低操作员野外工作强度，同时大大提高测量质量和速度。所以笔者利用51 单片机作为控制器，设计出一套自动调节水平的系统平台供重力仪野外观测使用，使得野外重力测量变得更加准确、方便、快捷。

图1 CG-5 重力仪

2 系统构成及工作原理

调平系统主要由控制器（51 单片机）、角度传感器模块、步进推杆、2 相步进电机驱动模块以及超声波测距模块4 部分组成。编写51 单片机程序之后，烧录进单片机。单片机上电后，接收角度传感器的姿态信息数据，根据4 个方向的倾斜参数，控制步进电机做出相应的调整动作，调节水平后，利用超声波测距模块测量重力支架的水平高度，在数码管显示出来。自动调平系统工作原理如图2 所示。

图2 自动调平系统工作原理

2.1 STC89C52RC 单片机

本文使用的单片机是由STC 公司生产的STC89C52RC。此单片机是低功耗、高性能CMOS 八位微控制器，具有8 K字节可编程Flash 存储器、512 字节的SRAM、5 K 的EEPROM、39 个IO 口。具有较强的抗干扰能力、宽电压、不怕电源抖动、超低功耗等特点，正常工作电流为7 mA。STC89C52 使用经典的MCS-51 内核，但是做了很多的改进升级，使得芯片具有传统51 单片机不具备的功能。在单芯片上拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

2.2 角度倾斜传感器

角度传感器使用的芯片为LM393 和倾斜感应传感器，能灵敏地感知4 个方向的角度变化。角度信息以模拟量和数字量输出到单片机，Vo1-x 方向模拟输出0.5～4.5 V，Vo2-Y方向模拟输出0.5～4.5 V，0.5～4.5 V 模拟量对应0°～180°的角度值。Do1-right 方向倾斜TTL 电平输出，低电平输出0 V，高电平输出3.6 V；D02-Left 方向倾斜TTL 电平输出，低电平输出0 V，高电平输出3.6 V；D03-Down 方向倾斜TTL 电平输出，低电平输出0 V，高电平输出3.6 V；Do4-Up方向倾斜TTL 电平输出，低电平输出0 V，高电平输出3.6 V。系统采用了角度模块输出数字量，进行编程，4 个方向上产生的高低电平，对应了2 个步进电机的正反转。

2.3 TB6600 步进电机驱动器

由于单片机IO 口电流限制不能直接驱动42 步进电机，需要步进电机驱动器来控制推杆的正反转，本次采用2 个TB6600 步进电机驱动器。电源采用直流9～42 V 供电，控制信号输入电压3.3～24 V 通用。细分精度1～32 细分可选。输出峰值电流可达4.0 A，H 桥双极恒流驱动。输入信号高速光耦隔离，内置温度保护和过流保护。电机噪声优化功能，最大功率为160 W。

2.4 步进推杆

采用的2 个步进推杆如图3 所示，2 个步进电机的伸长和缩短调节着重力仪支架平面的水平。左侧的步进推杆控制着X方向的水平，下侧的步进推杆控制着X和Y方向的水平。推杆的行程可达10 cm，可调节范围非常大，完全适用野外复杂地形起伏情况。当推杆伸长到最长或者缩短到最短时候，限位开关导通，产生高电平返回给单片机，防止步进电机堵转。采用2 相42 步进电机，可24 h 不停机工作，具有超长工作寿命。输入电压范围为9～36 V，金属齿轮，带自锁功能，当受到压力时候不会缩短变形。推力可达250 N，速度为12 mm/s，满足当支架负载时候的动力需求。野外生产使用时候，先将平台置于松散地面踩实后，打开开关自动调节水平。系统水平后自动停止，确保重力仪读数时候不会再调节水平造成干扰。

图3 自动调平支架平面图

2.5 超声波测距模块

高精度重力测量过程中，高程的准确性至关重要，由于重力仪置于水平支架上观测，会有一定的离地高度（0～15 cm），根据高度改正公式，1 m 的高程差异，高度改正可引起最大约0.309 mGal 的测量误差。为保证数据采集精度，很有必要测量重力支架的高度。本系统利用超声波测距快速地测量架高。超声波测距提供非接触式距离感测功能，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理是采用IO 口TRIG 触发测距，给最少10 us 的高电平信号。模块自动发送8 个40 kHz 的方波，自动检测是否有信号返回。有信号返回，通过IO 口ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波发射到返回的时间，距离=（高电平时间×声速（340 m/s）÷2）。模块工作电压为5 V，功耗电流15 mA 探测距离2～400 cm，精度可高达3 mm。

3 程序设计

角度模块的摆设方向、2 相4 线步进电机接线等都会影响电机的伸长与收缩方向。平台要想正确运行，就要进行调试，当调平方向不正确时候只需将2 相电机中的一相线反接就行。程序的部分主要代码如下所示。

4 结论

笔者根据实际重力测量工作中遇到的烦琐的手动调平，研制出重力仪自动调平支架。本系统采用了国产单片机芯片（宏晶科技），价格低廉、性能稳定。相比国外仪器原装进口几万元的手动调平支架而言具有较高的性价比和实用性。步进推杆每秒最大行程达1.2 cm，2 个步进推杆同时运行，所以平台系统调节水平速度快，20 s 内能将支架基本调节水平。相比野外重力测量前几分钟甚至更长时间费力地手动调平准备，大大提高了工作效率，减小了劳动强度，使得野外重力测量变得更加准确、方便、快捷。