CN103743385A - 一种基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，包括外壳，外壳内设有电路系统、悬挂摆部件、液压式微位移放大部件、光纤传像束和光敏二极管阵列等。该传感器具有以下特点：输出的是数字信号，每个感应元都是以开关脉冲的形式输出信号，取样数据只有“0”与“1”，克服了传统的模拟量检测方式本身带有模糊的成份，避免了受温度、空气压强、电场、磁场等多种环境分布参数的影响，大大地提高了检测的准确性、可靠性，而且分辨率和精度很高，结构简单，成本低。

Description

一种基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器

技术领域

本发明涉及一种基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器。

背景技术

传感器技术一直是热门技术，其中倾斜角传感器在工厂、铁路、机械、桥梁铺设、汽车等行业有着广泛的应用。在传统的各种倾斜角传感器中，多是以模拟量转换的方式进行物理量的转换（如电解式、应变式等），其输出是模拟量，取样信号只有量的变化没有质的变化，很难抵御外部的干扰和内部的漂移，稳定性和可靠性难以满足使用要求，因此，设计精度高、灵敏度高、稳定性和可靠性高的倾斜角传感器是比较困难的（这也是高性能传感器价格比较高的原因之一），而数字化取样的传感器在精度、可靠性和稳定性方面会得到根本性的改善，所以数字化物理量转换机理的研究已成为传感器研究领域的一个主攻方向。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，该传感器具有以下特点：输出的是数字信号，每个感应元都是以开关脉冲的形式输出信号，取样数据只有“0”与“1”，克服了传统的模拟量检测方式本身带有模糊的成份，避免了受温度、空气压强、电场、磁场等多种环境分布参数的影响，大大地提高了检测的准确性、可靠性，而且分辨率和精度很高，结构简单，成本低。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，包括外壳，外壳内设有电路系统、悬挂摆部件、液压式微位移放大部件5、光纤传像束和光敏二极管阵列，其中，

所述电路系统的结构为：包括微处理器37、驱动电路34、信号处理电路35和光敏二极管扫描电路36，其中，微处理器37通过驱动电路34与半导体激光器17电路连接；微处理器37与光敏二极管扫描电路36连接，光敏二极管扫描电路36与光敏二极管38连接；微处理器37与信号处理电路35连接，信号处理电路35与光敏二极管扫描电路36连接；

所述悬挂摆部件的结构为：包括摆锤8、T型推杆7、摆锤转轴6，摆锤8通过T型推杆7与摆锤转轴6活动连接；

所述液压式微位移放大部件5有两个，其结构为：包括储液管21以及由透明材料制成的指示管20，其中，储液管21由上壳体22和下壳体24扣合形成，储液管21内设有膜片23（优选橡胶膜片），膜片23下方设有推板26，推板26下部连接有推杆28，相应地，下壳体24上设有导向孔27，推杆28穿过导向孔27，推杆28末端与T型推杆7紧密接触（一个液压式微位移放大部件5的推杆28与T型推杆7的一端紧密接触，另一个液压式微位移放大部件5的推杆28与T型推杆7的另一端紧密接触）；指示管20位于储液管21上方，并穿过上壳体22与储液管21连通，指示管20上部设有激光光源，指示管20内设有浮子19，浮子19上设有反光板40，反光板40的作用是：将由激光光源发出的光线（激光束）反射照射到光纤上（由于激光光源是从指示管20上方射出激光束，需要偏转90度后才能转为平行的激光束，从而照射在光纤上，故反光板40与水平方向的夹角为45度）；

所述激光光源的结构为：包括半导体激光器17和准直透镜18，准直透镜18位于半导体激光器17的前端（激光光源的结构和工作原理为公知常识，在此不再赘述）；

所述光纤传像束29沿指示管20的轴向方向排列成若干竖列，指示管20和光纤传像束29之间设置圆柱状透镜30，每竖列的首尾对齐，每竖列由若干根竖向排列的光纤组成；每竖列光纤对应一组光敏二极管阵列，每组光敏二极管阵列由若干个光敏二极管组成，光纤与光敏二极管连接。

优选的，所述光纤传像束29沿指示管20的轴线方向排列成有序的二竖列,指示管20和光纤传像束29之间设置圆柱状透镜30，为描述方便，分别命名为N列和M列，二竖列的首尾对齐，二竖列由相同根数的光纤竖向排列组成,为描述方便，设每竖列由n×m根光纤组成，n、m均为正整数；每竖列光纤对应一组光敏二极管阵列，每组光敏二极管阵列由若干个光敏二极管组成，为描述方便，设与N列对应的光敏二极管阵列由n个光敏二极管组成，与M列对应的光敏二极管阵列由m个光敏二极管组成，N列的光纤分为m组，每组由n根光纤组成，每组的n根光纤与与N列对应的光敏二极管阵列的n个光敏二极管一一对应连接,为描述方便，每组的n根光纤分别编号为1a、2a…na，相应地，n个光敏二极管分别编号为N1、N2、N3、…、Nn-1、Nn，每组光纤中编号为1a的光纤都与编号为N1的光敏二极管连接（相同序号的光纤在光敏二极管处排列成圆形，再通过透镜传导，为常规技术手段），每组光纤中编号为2a的光纤都与编号为N2的光敏二极管连接，每组光纤中编号为na的光纤都与编号为Nn的光敏二极管连接；相应地，M列的光纤也分为m组，每组由n根光纤组成（光纤编号与分组方式均与N列相同），同组的所有光纤都传导到同一个光敏二极管上，为描述方便，每组依次轮流编号为1b、2b…mb，相应地，m个光敏二极管分别编号为M1、M2…Mm，第1b组所有光纤传导到编号为M1的光敏二极管上，第2b组所有光纤传导到编号为M2的光敏二极管上，第mb组所有光纤传导到编号为Mm的光敏二极管上；分组的目的是减少光敏二极管的数量；其原理是，N列的光纤由n×m根光纤组成（起刻度作用），分成m组，每组的n根光纤重复用n个光敏二极管，M列的光纤（根数与N列相同）对应的也分m组，同组的所有光纤共用同一个光敏二极管（起分组作用），由两阵列光敏二极管共同确定浮子的位置（参见图12所示），由于二竖列是由相同根数的光纤组成的，所以在二竖列中，处于同一高度的二根光纤代表一个唯一的坐标，该坐标可以用于指示浮子所处的位置，所以，光纤分组并与光敏二极管连接后，应保证处于同一高度的二根光纤所对应的二个光敏二极管的组合也是唯一的）。由于每列光纤采用分组共用光敏二极管的方式（不是一一对应的方式），再通过每列光敏二极管的排列组合，大大地减少光了敏二极管的用量，如此，若每竖列由n×m根光纤组成，则其需要的光敏二极管数量仅为n+m个。如此，当一一对应时n×m根光纤要用n×m个光敏二极管，则用这种排列方式，需要的光敏二极管数量仅为n+m个。

为便于所属领域技术人员理解，下面以举例的形式对上述光纤传像束进行说明：所述光纤传像束29沿指示管20的轴线方向排列成有序的二竖列,指示管20和光纤传像束29之间设置圆柱状透镜30，为描述方便，分别命名为N列31和M列32，二竖列的首尾对齐，二竖列由相同根数的光纤竖向排列组成,每竖列由n×m根光纤组成，n、m均取值为6；每竖列光纤对应一组光敏二极管阵列，每组光敏二极管阵列由若干个光敏二极管组成，与N列对应的光敏二极管阵列由6个光敏二极管组成（分别编号为N1、N2、N3、N4、N5、N6），与M列对应的光敏二极管阵列由6个光敏二极管组成（分别编号为M1、M2、M3、M4、M5、M6），N列的光纤分为6组，每组由6根光纤组成，每组的6根光纤与与N列对应的光敏二极管阵列的6个光敏二极管一一对应连接,每组的6根光纤分别编号为1a、2a…6a，相应地，6个光敏二极管分别编号为N1、N2、N3、…、N6，每组光纤中编号为1a的光纤都与编号为N1的光敏二极管连接（相同序号的光纤在光敏二极管处排列成圆形，再通过透镜传导，为常规技术手段），每组光纤中编号为2a的光纤都与编号为N2的光敏二极管连接，每组光纤中编号为na的光纤都与编号为Nn的光敏二极管连接；相应地，M列的光纤也分为6组，每组由6根光纤组成（光纤编号与分组方式均与N列相同），同组的所有光纤都传导到同一个光敏二极管上，每组依次轮流编号为1b、2b…6b，相应地，6个光敏二极管分别编号为M1、M2…M6，第1b组所有光纤传导到编号为M1的光敏二极管上，第2b组所有光纤传导到编号为M2的光敏二极管上，第mb组所有光纤传导到编号为Mm的光敏二极管上；分组的目的是减少光敏二极管的数量；其原理是，N列的光纤由n×m=6×6根光纤组成（起刻度作用），分成m=6组，每组的n=6根光纤重复用n=6个光敏二极管，M列的光纤（根数与N列相同）对应的也分m=6组，同组的所有光纤共用同一个光敏二极管（起分组作用），由两阵列光敏二极管共同确定浮子的位置（参见图12所示），由于二竖列是由相同根数的光纤组成的，所以在二竖列中，处于同一高度的二根光纤代表一个唯一的坐标，该坐标可以用于指示浮子所处的位置，所以，光纤分组并与光敏二极管连接后，应保证处于同一高度的二根光纤所对应的二个光敏二极管的组合也是唯一的）。由于每列光纤采用分组共用光敏二极管的方式（不是一一对应的方式），再通过每列光敏二极管的排列组合，大大地减少光了敏二极管的用量，如此，若每竖列由n×m根光纤组成，则其需要的光敏二极管数量仅为n+m个。如此，当一一对应时n×m根光纤要用n×m=6×6=36个光敏二极管，则用这种排列方式，需要的光敏二极管数量仅为n+m=12个。

进一步地，所述外壳由壳体9、位于壳体9上部的上盖板1和位于壳体9前部的前盖板12构成，壳体9、上盖板1和前盖板12之间围成一个相对密闭的空间；壳体9底部设有两个限位块10，摆锤8位于两个限位块10之间，其作用是：限制摆锤摆动范围。

进一步地，所述指示管20为方型指示管，设置成方形的目的是：防止浮子转动。

进一步地，所述上壳体22和下壳体24之间通过螺钉16连接。

本发明的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器的工作原理为：在重力作用下，摆锤8总是力图保持铅锤方向，当外壳随被测物倾斜时，摆锤8将相对外壳摆动一个角度（倾斜角ΔQ），从而带动T型推杆7转动同样的角度，并推动推杆28产生相应的位移⊿L₁，通过检测⊿L₁就可以获得壳体的倾斜角ΔQ（tanΔQ=⊿L₁／h，其原理为公知数学常识，在此不再赘述）。⊿L₁检测量过程为，当推杆28产生位移时相应的储液管中的膜片23也产生相同的位移⊿L₁，进而使指示管20中的液体长度产生相应的变化，变化量为⊿L₂（相应的指示管20中的浮子19也产生相同的位移⊿L₂），且⊿L₂等于⊿L₁的A倍（A=⊿L₂／⊿L₁=S₁／S₂其中，S₁为膜片的面积，S₂为浮子的截面积），其原理是基于帕斯卡原理，帕斯卡原理阐述的是：在液力系统中的一个活塞上施加一定的压强，必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。如果第一个活塞（膜片）的面积S₁是第二个活塞（浮子）的面积S₂的A倍，那么第一个活塞上受到的作用力是第二个活塞的A倍。然而，第二个活塞（浮子）移动的距离⊿L₂则是第一个活塞（膜片）移动的距离⊿L₁的A倍，通过测量⊿L₂就可得到⊿L₁（⊿L₂可通过测量浮子的位移得到），见图11所示。⊿L₂的测量过程为，设置在指示管20上端的激光光源发射出的激光束沿指示管20的轴向射出，射向设在浮子19上的反光板40，通过反光板40反射偏转90度后，照射到与浮子19处于同一高度的各个竖列的光纤上，并传导至相应的光敏二极管阵列；随着浮子19的上下移动，激光束会照射到不同位置的光纤上，从而使相应的光敏二极管接收到光线；由光敏二极管扫描电路36对光敏二极管依次扫描，随着扫描的进行，每个光敏二极管的状态信息（是否接收到光线）依次输出到信号处理电路35，该信号（每个光敏二极管的状态信息）经信号处理电路35处理后送入微处理器37，微处理器37根据各点光强计算出⊿L₂，进而得到⊿L₁，并根据tanΔQ=⊿L₁／h得到倾斜角ΔQ。

液压式微位移放大部件是起预变换器的作用（感受被测量⊿L₁并通过光纤和光敏二极管将其变换为与被测量⊿L₁有确定关系的电量），同时还起着提高分辨率的作用（例如取A=100，则相当于把⊿L₁放大100倍，其中，A=⊿L₂／⊿L₁=S₁／S₂=Л（D／2）²／a²=（Л／4）(D/a)²，D为储液管直径，a为指示管边长，如图11所示，当取光纤直径为0.02mm时，则对⊿L₁的分辨率由0.02mm变为，0.02mm／100=0.0002mm）。

采用双（两个）液压微位移放大部件的作用是：

1）确定原点（倾斜角度为零的点），当两个浮子的位置相同时，定义倾斜角为零（只有发生倾斜时两个浮子的位置才出现差动，即一个升高另一个降低）。

2）判定倾斜方向（当左边浮子升高时定义倾斜角为正，反之为负）。

3）减小温度的影响，当指示管中的液体长度因温度变化而变化时，因变化方向相同（同时升高或降低）且大小一样，因此相互抵消（减小温度的影晌对提高仪器的精度、灵敏度和稳定性来说是非常重要的）。

4）实现自动调零（只要两个指示管中的液面高度一样就定为零点）。

本发明的液压式微位移放大部件中的储液管相当于液压缸中的缸筒，膜片相当于液压缸中的活塞（膜片用橡胶材料制成），采用膜片作活塞不但密封可靠，还不会出现像刚性活塞那样的卡死问题，从而确保了测量的可靠性。液压式微位移量放大部件还能起到阻尼作用，因此不用再设置专门的阻尼机构。该部件原理简洁、结构简单紧凑，而且不存在机械磨损问题。（注：因为橡胶膜片很薄，加上行程很短，⊿L₁＜0.8mm，所以圆形推板、橡胶膜片和储液管之间不会出现相互挤压的现象）

所述微处理器、信号处理电路、光敏二极管扫描电路和驱动电路，其工作方式、工作原理（如怎样发出信号，接收信号，对信号怎样处理等）均为现有技术中成熟的技术，在此不再赘述。

本发明的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，与传统的倾斜角传感相比，具有以下优点：

1）输出是数字信号，每个感应元都是以开关脉冲的形式输出信号（每个光敏二极管只有是否接收到光线两种状态），取样数据只有“0”与“1”，克服了传统的模拟量检测方式本身带有模糊的成份，避免了受温度、空气压强、电场、磁场等多种环境分布参数的影响，大大地提高了检测的准确性、可靠性，不需要专门的A/D转换电路，这样可以避免A/D器件对精度的影响（因为A/D器件精度有限，在无形中会降低了数据精度），有利于减少测量时间，也利于信号的远距离传输。

2）分辨率很高，因为液压式微位移放大部件很容易实现很大的放大倍数（只要改变一下D和a的值即可，且D和a成平方关系），加上光纤传像束的纤芯直径非常细（一般为0.01mm左右），所以很容易得到高分辨率。例如取A=100，光纤直径为0.02mm，则对⊿L₁的分辨率为0.0002mm（0.02mm／100=0.0002mm），当取h=50mm，则分度值为0.004mm／m（0.0002mm*20／50mm*20=0.004mm／m），分辨率约为1角秒。

3）光敏二极的用量比传统的一一对应的方式要少很多（有效的解决了精度和分辨与敏感元件用量的矛盾），这将大大地有利于制造（需要用大量的阵列式的敏感元器件正是数字化物理量转换机理要解决的技术难点之一，因为随着敏感元件的大量增加，将会使布线变的非常困难，对这些单元有序控制的数据处理单元也要增加，这将大大地增加制造难度和成本），对光敏二极管排列的技术要求很低（敏感元件不是直接排列在检测位置，而是通过光纤间接排列，这大大地方便了制造）。

4）光纤起电气隔离作用，使抗干扰能力进一步得到提高（相当于光电藕合器，光电藕合器的优点就是有很强的抗干扰性）。

5）浮子的位置是通过光纤的几何位置确定的（相当于一个离散型元件），因此不存在非线性问题。

6）能大大地减小温度的影响，因为当指示管中的液体长度因温度变化而变化时，由于变化方向相同（同时升高或降低）且大小一样，因此可以相互抵消（减小温度的影晌对提高仪器的精度、灵敏度和稳定性来说是非常重要的）。

7）性能稳定，能长期使用不需要校准。

此外，本发明还具有结构简单、制造容易、成本低等优点。

附图说明

图1为本发明的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器的结构示意图。

图2为图1的左视图。

图3为本发明的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器的液压式微位移放大部件的结构示意图。

图4为图3中A-A线剖视图。

图5为本发明的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器的固定基座结构示意图。

图6为图5中B-B线剖视图。

图7为液压式微位移放大部件和固定座的装配示意图。

图8为本发明的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器的电路原理示意图。

图9为本发明的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器的N列光纤排列示意图（仅为技术人员为方便理解而绘制的示意图）。

图10为本发明的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器的M列光纤排列示意图（仅为技术人员为方便理解而绘制的示意图）。

图11为本发明的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器的计算示意图。

图12光纤传像束、光敏二极管排列原理示意简图（仅为技术人员为方便理解而绘制的示意图），其中，n=6，m=6。

其中，1、上盖板；2、电路板；3、激光光源；4、L型托架；5、液压式微位移放大系统；6、摆锤转轴；7、T型推杆；8、摆锤；9、壳体；10、限位块；11、引线；12、前盖板；13、固定座；14、固定座托架；15、摆锤转轴基座；16、螺钉；17、半导体激光器；18、准直透镜；19、浮子；20、方型指示管；21、储液管；22、上壳体；23、膜片；24、下壳体；25、固定螺丝孔；26、圆形推板；27、导向孔；28、推杆；29、光纤传像朿；30、圆柱状透镜；31、N列；32、M列；33、数据线；34、驱动电路；35、信号处理电路；36、光敏二极管扫描电路；37、微处理器；38、光敏二极管；39、透镜；40、反光板。

注：测量范围±1°。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

一种基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，包括外壳，外壳内设有电路系统、悬挂摆部件、液压式微位移放大部件5、光纤传像束和光敏二极管阵列，如图1～图12所示，其中，

所述电路系统的结构为：包括微处理器37、驱动电路34、信号处理电路35和光敏二极管扫描电路36，其中，微处理器37通过驱动电路34与半导体激光器17电路连接；微处理器37与光敏二极管扫描电路36连接，光敏二极管扫描电路36与光敏二极管38连接；微处理器37与信号处理电路35连接，信号处理电路35与光敏二极管扫描电路36连接；

所述悬挂摆部件的结构为：包括摆锤8、T型推杆7、摆锤转轴6，摆锤8通过T型推杆7与摆锤转轴6活动连接；

所述液压式微位移放大部件5有两个，其结构为：包括储液管21以及由透明材料制成的指示管20，其中，储液管21由上壳体22和下壳体24扣合形成，储液管21内设有膜片23（为橡胶膜片），膜片23下方设有推板26，推板26下部连接有推杆28，相应地，下壳体24上设有导向孔27，推杆28穿过导向孔27，推杆28末端与T型推杆7紧密接触（一个液压式微位移放大部件5的推杆28与T型推杆7的一端紧密接触，另一个液压式微位移放大部件5的推杆28与T型推杆7的另一端紧密接触）；指示管20位于储液管21上方，并穿过上壳体22与储液管21连通，指示管20上部设有激光光源，指示管20内设有浮子19，浮子19上设有反光板40，反光板40的作用是：将由激光光源发出的光线（激光束）反射照射到光纤上（由于激光光源是从指示管20上方射出激光束，需要偏转90度后才能转为平行的激光束，从而照射在光纤上，故反光板40与水平方向的夹角为45度）；

所述激光光源的结构为：包括半导体激光器17和准直透镜18，准直透镜18位于半导体激光器17的前端；

所述光纤传像束29沿指示管20的轴线方向排列成有序的二竖列（分别命名为N列31和M列32）,指示管20和光纤传像束29之间设置圆柱状透镜30，二竖列的首尾对齐，二竖列由相同根数的光纤竖向排列组成,每竖列由n×m根光纤组成，n、m均取值为6；每竖列光纤对应一组光敏二极管阵列，每组光敏二极管阵列由若干个光敏二极管组成，与N列对应的光敏二极管阵列由6个光敏二极管组成（分别编号为N1、N2、N3、N4、N5、N6），与M列对应的光敏二极管阵列由6个光敏二极管组成（分别编号为M1、M2、M3、M4、M5、M6），N列的光纤分为6组，每组由6根光纤组成，每组的6根光纤与与N列对应的光敏二极管阵列的6个光敏二极管一一对应连接,每组的6根光纤分别编号为1a、2a…6a，相应地，6个光敏二极管分别编号为N1、N2、N3、…、N6，每组光纤中编号为1a的光纤都与编号为N1的光敏二极管连接（相同序号的光纤在光敏二极管处排列成圆形，再通过透镜传导，为常规技术手段），每组光纤中编号为2a的光纤都与编号为N2的光敏二极管连接，每组光纤中编号为na的光纤都与编号为Nn的光敏二极管连接；相应地，M列的光纤也分为6组，每组由6根光纤组成（光纤编号与分组方式均与N列相同），同组的所有光纤都传导到同一个光敏二极管上，每组依次轮流编号为1b、2b…6b，相应地，6个光敏二极管分别编号为M1、M2…M6，第1b组所有光纤传导到编号为M1的光敏二极管上，第2b组所有光纤传导到编号为M2的光敏二极管上，第mb组所有光纤传导到编号为Mm的光敏二极管上；分组的目的是减少光敏二极管的数量；其原理是，N列的光纤由n×m=6×6根光纤组成（起刻度作用），分成m=6组，每组的n=6根光纤重复用n=6个光敏二极管，M列的光纤（根数与N列相同）对应的也分m=6组，同组的所有光纤共用同一个光敏二极管（起分组作用），由两阵列光敏二极管共同确定浮子的位置（参见图12所示），由于二竖列是由相同根数的光纤组成的，所以在二竖列中，处于同一高度的二根光纤代表一个唯一的坐标，该坐标可以用于指示浮子所处的位置，所以，光纤分组并与光敏二极管连接后，应保证处于同一高度的二根光纤所对应的二个光敏二极管的组合也是唯一的）。由于每列光纤采用分组共用光敏二极管的方式（不是一一对应的方式），再通过每列光敏二极管的排列组合，大大地减少光了敏二极管的用量，如此，若每竖列由n×m根光纤组成，则其需要的光敏二极管数量仅为n+m个。如此，当一一对应时n×m根光纤要用n×m=6×6=36个光敏二极管，则用这种排列方式，需要的光敏二极管数量仅为n+m=12个。

所述外壳由壳体9、位于壳体9上部的上盖板1和位于壳体9前部的前盖板12构成，壳体9、上盖板1和前盖板12之间围成一个相对密闭的空间；壳体9底部设有两个限位块10，摆锤8位于两个限位块10之间，其作用是：限制摆锤摆动范围。

所述指示管20为方型指示管，设置成方形的目的是：防止浮子转动。

所述上壳体22和下壳体24之间通过螺钉16连接。

具体应用时，壳体9内壁上设有电路板2和L型托架4，L型托架4上设有摆锤转轴基座15，电路系统（包括微处理器37、驱动电路34、信号处理电路35和光敏二极管扫描电路36，以及光敏二极管38）固定在电路板2上，微处理器37通过引线11（引线11穿过上盖板1，引线11包括电源线和数据线33）与电源和相关的数据处理电路连接；摆锤转轴6固定在摆锤转轴基座15上，液压式微位移放大部件5固定在L型托架4上（通过螺丝和固定螺丝孔25固定在L型托架4上）；光纤传像束29与圆柱状透镜30固定在固定座13上，固定座13通过固定座托架14固定在L型托架4上。

本发明的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器的工作原理为：在重力作用下，摆锤8总是力图保持铅锤方向，当外壳随被测物倾斜时，摆锤8将相对外壳摆动一个角度（倾斜角ΔQ），从而带动T型推杆7转动同样的角度，并推动推杆28产生相应的位移⊿L₁，通过检测⊿L₁就可以获得壳体的倾斜角ΔQ（tanΔQ=⊿L₁／h，其原理为公知数学常识，在此不再赘述）。⊿L₁检测量过程为，当推杆28产生位移时相应的储液管中的膜片23也产生相同的位移⊿L₁，进而使指示管20中的液体长度产生相应的变化，变化量为⊿L₂（相应的指示管20中的浮子19也产生相同的位移⊿L₂），且⊿L₂等于⊿L₁的A倍（A=⊿L₂／⊿L₁=S₁／S₂其中，S₁为膜片的面积，S₂为浮子的截面积），其原理是基于帕斯卡原理，帕斯卡原理阐述的是：在液力系统中的一个活塞上施加一定的压强，必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。如果第一个活塞（膜片）的面积S₁是第二个活塞（浮子）的面积S₂的A倍，那么第一个活塞上受到的作用力是第二个活塞的A倍。然而，第二个活塞（浮子）移动的距离⊿L₂则是第一个活塞（膜片）移动的距离⊿L₁的A倍，通过测量⊿L₂就可得到⊿L₁（⊿L₂可通过测量浮子的位移得到），见图11所示。⊿L₂的测量过程为，设置在指示管20上端的激光光源发射出的激光束沿指示管20的轴向射出，射向设在浮子19上的反光板40，通过反光板40反射偏转90度后，照射到与浮子19处于同一高度的各个竖列的光纤上，并传导至相应的光敏二极管阵列；随着浮子19的上下移动，激光束会照射到不同位置的光纤上，从而使相应的光敏二极管接收到光线；由光敏二极管扫描电路36对光敏二极管依次扫描，随着扫描的进行，每个光敏二极管的状态信息（是否接收到光线）依次输出到信号处理电路35，该信号（每个光敏二极管的状态信息）经信号处理电路35处理后送入微处理器37，微处理器37根据各点光强计算出⊿L₂，进而得到⊿L₁，并根据tanΔQ=⊿L₁／h得到倾斜角ΔQ。

液压式微位移放大部件是起预变换器的作用（感受被测量⊿L₁并通过光纤和光敏二极管将其变换为与被测量⊿L₁有确定关系的电量），同时还起着提高分辨率的作用（例如取A=100，则相当于把⊿L₁放大100倍，其中，A=⊿L₂／⊿L₁=S₁／S₂=Л（D／2）²／a²=（Л／4）(D/a)²，D为储液管直径，a为指示管边长，如图11所示，当取光纤直径为0.02mm时，则对⊿L₁的分辨率由0.02mm变为，0.02mm／100=0.0002mm）。

Claims (9)

1.一种基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，其特征在于：包括外壳，外壳内设有电路系统、悬挂摆部件、液压式微位移放大部件、光纤传像束和光敏二极管阵列，其中，

所述电路系统的结构为：包括微处理器、驱动电路、信号处理电路和光敏二极管扫描电路，其中，微处理器通过驱动电路与半导体激光器电路连接；微处理器与光敏二极管扫描电路连接，光敏二极管扫描电路与光敏二极管连接；微处理器与信号处理电路连接，信号处理电路与光敏二极管扫描电路连接；

所述悬挂摆部件的结构为：包括摆锤、T型推杆、摆锤转轴，摆锤通过T型推杆与摆锤转轴活动连接；

所述液压式微位移放大部件有两个，其结构为：包括储液管以及由透明材料制成的指示管，其中，储液管由上壳体和下壳体扣合形成，储液管内设有膜片，膜片下方设有推板，推板下部连接有推杆，相应地，下壳体上设有导向孔，推杆穿过导向孔，推杆末端与T型推杆紧密接触：一个液压式微位移放大部件的推杆与T型推杆的一端紧密接触，另一个液压式微位移放大部件的推杆与T型推杆的另一端紧密接触；指示管位于储液管上方，并穿过上壳体与储液管连通，指示管上部设有激光光源，指示管内设有浮子，浮子上设有反光板；

所述光纤传像束沿指示管的轴向方向排列成若干竖列，指示管和光纤传像束之间设置圆柱状透镜，每竖列的首尾对齐，每竖列由若干根竖向排列的光纤组成；每竖列光纤对应一组光敏二极管阵列，每组光敏二极管阵列由若干个光敏二极管组成，光纤与光敏二极管连接。

2.根据权利要求1所述的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，其特征在于：所述光纤传像束沿指示管的轴线方向排列成有序的二竖列,指示管和光纤传像束之间设置圆柱状透镜，二竖列分别命名为N列和M列，二竖列的首尾对齐，二竖列由相同根数的光纤竖向排列组成,设每竖列由n×m根光纤组成，n、m均为正整数；每竖列光纤对应一组光敏二极管阵列，每组光敏二极管阵列由若干个光敏二极管组成，设与N列对应的光敏二极管阵列由n个光敏二极管组成，与M列对应的光敏二极管阵列由m个光敏二极管组成，N列的光纤分为m组，每组由n根光纤组成，每组的n根光纤与与N列对应的光敏二极管阵列的n个光敏二极管一一对应连接,每组的n根光纤分别编号为1a、2a…na，相应地，n个光敏二极管分别编号为N1、N2、N3、…、Nn-1、Nn，每组光纤中编号为1a的光纤都与编号为N1的光敏二极管连接，每组光纤中编号为2a的光纤都与编号为N2的光敏二极管连接，每组光纤中编号为na的光纤都与编号为Nn的光敏二极管连接；相应地，M列的光纤也分为m组，每组由n根光纤组成，同组的所有光纤都传导到同一个光敏二极管上，每组依次轮流编号为1b、2b…mb，相应地，m个光敏二极管分别编号为M1、M2…Mm，第1b组所有光纤传导到编号为M1的光敏二极管上，第2b组所有光纤传导到编号为M2的光敏二极管上，第mb组所有光纤传导到编号为Mm的光敏二极管上。

3.根据权利要求1或2所述的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，其特征在于：所述光纤传像束沿指示管的轴线方向排列成有序的二竖列,指示管和光纤传像束之间设置圆柱状透镜，二竖列分别命名为N列和M列，二竖列的首尾对齐，二竖列由相同根数的光纤竖向排列组成,每竖列由n×m根光纤组成，n、m均取值为6；每竖列光纤对应一组光敏二极管阵列，每组光敏二极管阵列由若干个光敏二极管组成，与N列对应的光敏二极管阵列由6个光敏二极管组成，分别编号为N1、N2、N3、N4、N5、N6，与M列对应的光敏二极管阵列由6个光敏二极管组成，分别编号为M1、M2、M3、M4、M5、M6，N列的光纤分为6组，每组由6根光纤组成，每组的6根光纤与与N列对应的光敏二极管阵列的6个光敏二极管一一对应连接,每组的6根光纤分别编号为1a、2a…6a，相应地，6个光敏二极管分别编号为N1、N2、N3、…、N6，每组光纤中编号为1a的光纤都与编号为N1的光敏二极管连接，每组光纤中编号为2a的光纤都与编号为N2的光敏二极管连接，每组光纤中编号为na的光纤都与编号为Nn的光敏二极管连接；相应地，M列的光纤也分为6组，每组由6根光纤组成，同组的所有光纤都传导到同一个光敏二极管上，每组依次轮流编号为1b、2b…6b，相应地，6个光敏二极管分别编号为M1、M2…M6，第1b组所有光纤传导到编号为M1的光敏二极管上，第2b组所有光纤传导到编号为M2的光敏二极管上，第mb组所有光纤传导到编号为Mm的光敏二极管上。

4.根据权利要求1所述的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，其特征在于：所述外壳由壳体、位于壳体上部的上盖板和位于壳体前部的前盖板构成，壳体、上盖板和前盖板之间围成一个相对密闭的空间；壳体底部设有两个限位块，摆锤位于两个限位块之间。

5.根据权利要求1所述的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，其特征在于：所述指示管为方型指示管。

6.根据权利要求1所述的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，其特征在于：所述上壳体和下壳体之间通过螺钉连接。

7.根据权利要求1所述的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，其特征在于：所述膜片为橡胶膜片。

8.根据权利要求1所述的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，其特征在于：所述激光光源的结构为：包括半导体激光器和准直透镜，准直透镜位于半导体激光器的前端。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的基于帕斯卡原理的数字式倾斜角传感器，其特征在于：所述壳体内壁上设有电路板和L型托架，L型托架上设有摆锤转轴基座，微处理器、驱动电路、信号处理电路、光敏二极管扫描电路，以及光敏二极管均固定在电路板上，微处理器通过引线与外部的电源和相关的数据处理电路连接；摆锤转轴固定在摆锤转轴基座上，液压式微位移放大部件固定在L型托架上；光纤传像束和圆柱状透镜均固定在固定座上，固定座通过固定座托架固定在L型托架上。

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