CN103292787A - 一种倾角传感器 - Google Patents

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罗润馨
徐园平
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Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
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Abstract

本发明专利涉及一种倾角传感器，特别是一种电容式倾角传感器，属于测试技术领域。壳体布置在底座上，壳体为空心方形体，左半圆电容极板与右半圆电容极板布置在壳体内的一侧壁上，左、右半圆电容极板组合成圆形电容极板；另一侧壳体相对于圆形电容极板的圆形处的内壁上布置支撑转动轴，可动半圆电容极板与支撑转动轴活动链接。本发明提供的倾角传感器结构简单，成本低；采用差动及设计，灵敏度高。在工程领域有较大的实用价值。由于电容的大小和极板间的不同的介质的介电常数有关，所以本发明所述的传感器也可以在知道介质的介电常数后，在液体中如煤油或其他介质环境中进行倾角的测量，对系统所处的环境无苛刻的要求。

Description

一种倾角传感器
技术领域
本发明专利涉及一种倾角传感器，特别是一种电容式倾角传感器，测量范围为0~±90°，属于测试技术领域。
背景技术
倾角传感器经常用于工业生产及科学研究中测量工作系统相对于基准面的倾角。从工作原理上可分为“固体摆”、“液体摆”、“气体摆”三种倾角传感器。
固体摆、液体摆及气体摆倾角传感器，它们各有所长。在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的敏感质量是气体。气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体运动控制较为复杂，气体摆式的倾角传感器受到很多因素的影响，因此很少使用。固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同。在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高。液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛。 
上述的传感器都是基于重力加速度( 即由地球引力引起) ，受纬度和海拔高度的影响。因此传感器在不同海拔高度和纬度的地域使用测量的结果是不一样的。
     此外，还有采用霍尔元件作为磁敏感元件，通过倾角的变化引起的磁感应强度变化来测量对应的倾角。
然而，这类倾角传感器的结构复杂，价格昂贵，容易受到环境的影响，不便于在现有的系统中使用。
发明内容
本发明针对现有的倾角传感器普遍所存在的缺陷，本发明专利提出了一种基于电容原理的测量倾角的传感器设备。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的一种倾角传感器，包括左半圆电容极板，右半圆电容极板，壳体，支撑转动轴，可动半圆电容极板，底座；所述的壳体布置在底座上，壳体为空心方形体，左半圆电容极板与右半圆电容极板布置在壳体内的一侧壁上，左、右半圆电容极板组合成圆形电容极板；另一侧壳体相对于圆形电容极板的圆形处的内壁上布置支撑转动轴，可动半圆电容极板与支撑转动轴活动链接。
本发明所述的倾角传感器，还包括螺栓，避震弹簧，底板；所述的底座通过螺栓与底板相连，避震弹簧缠绕在底座与底板之间的螺栓段上。
本发明所述的倾角传感器，所述的左半圆电容极板与右半圆电容极板之间设有缝隙。
本发明所述的倾角传感器，还包括水泡；所述的水泡布置在底座上。
有益效果
本发明提供的倾角传感器结构简单，成本低；采用差动及设计，灵敏度高；电容变化值与倾角                                                
Figure 2013102187287100002DEST_PATH_IMAGE001
成线性关系，在工程领域有较大的实用价值。由于电容的大小和极板间的不同的介质的介电常数有关，所以本发明所述的传感器也可以在知道介质的介电常数后，在液体中如煤油或其他介质环境中进行倾角的测量，对系统所处的环境无苛刻的要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图；
图3本发明的倾角传感器倾斜
Figure 875800DEST_PATH_IMAGE001
时的结构示意图；
    图4为本发明的具体实施示意施图；
图中：1.左半圆电容极板，2.右半圆电容极板，3.壳体，4.支撑转动轴，5.可动半圆电容极板，6.螺栓，7.避震弹簧，8.底板，9.水平泡。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明：
如图所示：一种倾角传感器，包括左半圆电容极板1，右半圆电容极板2，壳体3，支撑转动轴4，可动半圆电容极板5，螺栓6，避震弹簧7，底板8，底座；所述的壳体3布置在底座上，壳体3为空心方形体，左半圆电容极板1与右半圆电容极板2布置在壳体3内的一侧壁上，左半圆电容极板1与右半圆电容极板2之间设有缝隙；
左、右半圆电容极板组合成圆形电容极板；另一侧壳体3相对于圆形电容极板的圆形处的内壁上布置支撑转动轴4，可动半圆电容极板5与支撑转动轴4活动链接。底座通过螺栓6与底板8相连，避震弹簧7缠绕在底座与底板6之间的螺栓段上；水泡9布置在底座上。
在不工作状态时，可动半圆电容极板与左右半圆电容极板相对应的面积相同，根据电容的计算公式
Figure 931481DEST_PATH_IMAGE002
，左半圆电容极板电容值
Figure 2013102187287100002DEST_PATH_IMAGE003
与右半圆电容极板电容值
Figure 498859DEST_PATH_IMAGE004
相同。在上述公式中，为介质介电常数，
Figure 111237DEST_PATH_IMAGE006
为可动半圆电容极板与固定半圆电容极板的板间距离。
Figure 2013102187287100002DEST_PATH_IMAGE007
为水平位置时，初始的左半圆电容极板（或右半圆电容极板）与可动半圆电容极板对应的面积。
Figure 696939DEST_PATH_IMAGE001
为倾斜角度，如图2所示，单位为度。当系统如图2情况，倾角为
Figure 939833DEST_PATH_IMAGE001
时，根据电容计算公式，左半圆电容极板间的电容值增加，右半圆电容极板间的电容减小相应的电容值。
将左半圆电容极板通过导线引出，记为A点；将可动半圆电容极板通过导线引出，记为B点；将右半圆电容极板通过导线引出，记为C点。将这三条引出导线，接入现有的测试系统中。该测试系统包含：正弦激励电路，差动转换电桥，放大电路，精密整流电路和低通滤波电路。根据滤波电路的输出值，经过换算，可以直接得到由倾角引起的电容的变化值
Figure 2013102187287100002DEST_PATH_IMAGE009
，所测得倾角
Figure 329019DEST_PATH_IMAGE010
。式中，
Figure 2013102187287100002DEST_PATH_IMAGE011
为不同环境下该倾角传感器的灵敏度，数学表达式为
Figure 34806DEST_PATH_IMAGE012
。
实施方案2：如图4所示，A，B两点直接接入已有的电容测量仪设备，被测系统发生倾斜时，电容测量仪电容发生改变。将测得的电容变化值乘以该环境下的传感器灵敏度系数
Figure 911944DEST_PATH_IMAGE011
，即可得出倾斜的角度。
实施方案3：如图3所示，A，B两点直接接入已有的电容测量仪设备，B，C两点直接接入第二台电容测量仪设备。被测系统发生倾斜时，两台电容测量仪电容发生改变。将每台电容测量仪测得的电容变化值
Figure 53075DEST_PATH_IMAGE009
相加，即
Figure 2013102187287100002DEST_PATH_IMAGE013
，然后用
Figure 364102DEST_PATH_IMAGE013
乘以环境下的传感器灵敏度系数
Figure 198066DEST_PATH_IMAGE011
，即可得出倾斜的角度。方案3采用差动方法，相对于方案2，灵敏度可提高1倍。

Claims (4)

1.一种倾角传感器，其特征在于：包括左半圆电容极板（1），右半圆电容极板（2），壳体（3），支撑转动轴（4），可动半圆电容极板（5），底座；所述的壳体（3）布置在底座上，壳体（3）为空心方形体，左半圆电容极板（1）与右半圆电容极板（2）布置在壳体（3）内的一侧壁上，左、右半圆电容极板组合成圆形电容极板；另一侧壳体（3）相对于圆形电容极板的圆形处的内壁上布置支撑转动轴（4），可动半圆电容极板（5）与支撑转动轴（4）活动链接。
2.根据权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于：还包括螺栓（6），避震弹簧（7），底板（8）；所述的底座通过螺栓（6）与底板（8）相连，避震弹簧（7）缠绕在底座与底板（6）之间的螺栓段上。
3.根据权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于：所述的左半圆电容极板（1）与右半圆电容极板（2）之间设有缝隙。
4.根据权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于：还包括水泡（9）；所述的水泡（9）布置在底座上。
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