CN1038517A

CN1038517A - 倾斜度测量装置

Info

Publication number: CN1038517A
Application number: CN 88105530
Authority: CN
Inventors: 戴仁慈; 李生强; 陈国明
Original assignee: Shanghai Institute of Metallurgy of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 1988-06-08
Filing date: 1988-06-08
Publication date: 1990-01-03
Also published as: CN1011067B

Abstract

本发明是一种倾斜度测量装置，特别是一种倾斜度测量传感器及可补偿温度变化的测量电路。倾斜度测量传感器是由绝缘材料制成的、二个鼓面内壁有三个金属电极的鼓状容器，里面充有一半体积的导电液，该传感器的输出信号输入到测量电路运算放大器的同相端。本发明结构简单、合理、体积小、寿命长、功耗低，可广泛应用于航空、航天、交通工具、机械、建筑、勘测等工业部门，可在1％的精度内测量±70°的倾角。

Description

本发明涉及一种倾斜度测量装置，特别是一种电子水准器或倾斜仪用的传感器及专门设计的可补偿温度变化的测量电路。

通常的光学气泡水准器用以指示表面的水平或垂直。但这种水准器难以精确读数，倾斜度测量范围极为有限。

应用液体的电子倾斜度测量装置在US4167818和CN87100808A（优先权申请GB8601586）中描述过，它们使用一个局部充有导电液的容器，容器中装有四个电极。电极间的电阻取决于容器中导电液与电极的相对位置，测量这些电极间的电阻，可指示容器的倾斜状况。这种装置可测量偏离水平或垂直位置的倾角。由于环境温度会改变导电液的电导率和体积，这二个因素都导致电极间电阻的变化，从而大大影响测量装置的测量精度。就上述专利而言，US4167818没有讨论这些影响测量精度的因素，CN87100808A着重讨论了补偿导电液体积变化的方法。考虑到容器内导电液的体积和蒸气压随温度的变化，该专利申请在相当多的假设条件下进行繁复的计算，适当选择容器壁厚度，使导电液蒸气压变化引起容器的弹性形变与导电液体积的变化相当，从而使导电液与电极间的相对位置不随温度而变化。由此，该专利的容器必须使用易于产生弹性形变的塑料来制作，这就存在塑料的老化问题。另外，该专利用Ni作为电极材料，Ni在电介质中易钝化，这些都影响使用寿命。更重要的是，CN87100808A为补偿导电液电导率的温度系数，用二组电极间电阻之比来测量倾角，而测量倾角的关系式θ＝90（1-R）/（1+R）（式中R为二组电极间电阻的比值）表明，θ与R间没有线性关系，在测量电路中实现较困难，至少需要复杂的电路结构。该申请也没有阐明具体的电路方案。

针对上述已有技术的不足，本发明的目的在于改进倾斜度测量传感器和电路的设计，实现倾斜角与测量参数有线性关系，自动补偿导电液的电导率和体积随温度的变化;改进传感器的材料及电极材料，解决测量装置的寿命和化学稳定性问题。

本发明的装置包括一个倾斜度测量传感器和测量电路、A/D转换和显示装置。其特征在于测量传感器的结构和测量电路。

本发明中的倾斜度测量传感器是一个鼓状容器，该鼓状容器的二个鼓面内壁制作三个电极。其中一个鼓面内壁有二个半圆环状电极;另一个鼓面内壁有一个电极，电极形状对称，可以是圆形、圆环形、方形等。容器内注入导电液，导电液体积通常为容器体积的一半。

鼓状容器可用塑料、玻璃、石英或陶瓷（如Al₂O₃、ZrO₂）等绝缘材料制成，考虑到塑料老化及陶瓷材料的加工等问题，最好采用玻璃或石英材料。鼓状容器内的电极使用化学稳定性好且与所用导电液不发生化学反应的任何金属，如Cu、Ni、Mo、Ag等，当然最好用贵金属如Pt、Au、Ir、Rh、Pd等。这些金属电极可用金属薄片粘贴、真空蒸镀、化学镀、丝网印刷、溅射等方式形成。为使电极尺寸精密，提高测量精度，最好用真空蒸镀或溅射方法形成电极镀层，然后用光刻或等离子刻蚀制备一定形状的电极。

为了注入导电液，在鼓状容器一个有单个电极的鼓面上开一小园孔，或在鼓壁上开一小孔，并封接与电极材料相同的金属管，当导电液注入后，即予以密封。导电液可以是蒸馏水、有机溶液（如乙醇、甲醇）与盐类的混合物。但最好不含水。

本发明的测量电路包括一方波发生器，产生的脉冲分别通过跟随器和倒相器加到鼓状容器的一个鼓面上的一对半圆环形电极上，由于鼓状容器倾斜而产生的信号通过运算放大器、相敏解调后，经A/D转换，在显示单元上显示倾斜角。本发明的特征在于倾斜角电信号输入到运算放大器的同相端，电路中作为温度补偿用的电阻Rp要满足一定条件（见下文）。

图1是倾斜角测量传感器的透视图。图中1是内壁有二个半圆环形电极的鼓面，2是内壁有一个有对称形状的电极（可以是圆形、方形或圆环形）的另一个鼓面，3是鼓壁。

图2是图1中鼓面1内壁的二个半圆环形电极形状图，半圆环形电极A和B的一端延伸到鼓面边缘，以便引出电极。

图3是图1中另一个鼓面2内壁的电极形状图，本图表示的是圆形电极C，但其它对称形状不限。图上标出了一小圆孔4供注入导电液用，待导电液注入后即予以密封。圆形电极亦有部份延伸到边缘，供电极引出。

图4表示倾斜度测量传感器的鼓状容器处于水平位置时，导电液与二个半圆环形电极A和B在容器中的相对位置。此时，电极A和B分别与另一鼓面壁上电极C之间的电导是相等的。令电极A-C间和B-C间的电导分别为S_A和S_B，则总电导S为

S＝S_A+S_B，

现S_A＝S_B，有

(S)/(S_A) = (S)/(S_B) = (180°)/(90°) =2

图5表示当该测量传感器相对水平面有倾角θ时的情形，此时有：

S_A＝ (90°+θ)/(180°) S，S_B＝ (90°-θ)/(180°) S

最后有θ＝90°（S_A-S_B）/S （1）

由此可见，本发明的倾斜角测量传感器的电极结构可使倾斜角正比于二对电极间电导值之差。这一线性关系使电路设计简化，提高测量精度。

图6是本发明的测量电路，图中5是矩形脉冲（方波）发生器，6是跟随器，7是倒相器，8，9分别表示倾斜度测量传感器二个半圆环电极A、B与公共电极C之间的电阻R_A、R_B，10是温度补偿用电阻R_p，11为运算放大器反相端的输入电阻R_i，12是运算放大器，13是反馈电阻R_∫，14是相敏解调单元，15是A/D转换和显示单元。

矩形脉冲电压U_c经跟随器4和反相器5分别加到R_A和R_B上，如果R_A＝R_B（S_A＝S_B），则运算放大器12的同相端上没有信号输入。当传感器不处于水平位置时，R_A≠R_B。按电路有：

(U_c-V_i)/(R_A) + (-U_c-V_i)/(R_B) = (V_i)/(R_p)

用电导S表示，则

S_A（U_c-V_i）+S_B（-U_c-V_i）＝V_iS_p

因此，运算放大器同相端的输入信号V_i为

V_i＝U_c（S_A-S_B）/（S_A+S_B+S_p）

＝U_c（S_A-S_B）/（S+S_p）（2）

代入（1）式得

θ=90° (V_i)/(U_O) (1+ (S_p)/(S) ) （3）

现在来考察测量值V_i与倾角θ和温度变化的关系。

令导电液电导率（电导）的温度系数为α，由于体积变化引起电导变化的温度系数为β。二对电极A、C和B、C间因导电液体积变化引起的电导增量分别为ΔS_A和ΔS_B。

本发明的半圆环电极A和B的内径和外径完全相同，因而，温度变化引起导电液体积变化使二个电极A和B与导电液接触面积的变化ΔA_A和ΔA_B相等，则有ΔS_A＝ΔS_B。于是：

S_A＝S^° _A（1+αT）+ΔS_A

S_B＝S^° _B（1+αT）+ΔS_B

S_A-S_B＝（S^° _A-S^° _B）（1+αT）（4）

S_A+S_B＝（S^° _A+S^° _B）（1+αT）（1+βT）

＝S°（1+αT）（1+βT）（5）

上述式中上足标°表示正常使用温度下的电导值。代入（2）式，并考虑到α＜＜1，可得

V_i＝U_c（S^° _A-S^° _B）/〔S°（1+βT）+S_p（1-αT）〕

＝U_c（S^° _A-S^° _B）/（S°+S_p+S°βT-S_pαT）

若满足 S°βT＝S_pαT

即 (S_p)/(S^o) = (β)/(α) 即R_p＝α/βS° （6）

则V_i与温度无关。由于对一定结构的鼓状容器（倾斜度测量传感器）S°是定值，选用一定阻值的、对温度不敏感的电阻R_p（即1/S_p）是容易的，实际上，S_p＜＜S°。

同样，将（4）、（5）式代入（3）式，有倾斜角

θ=90^e(V_i)/(U_c) [1+S_p/S⁰(1+αT)(1+βT)］

≈90° (Vi)/(Uc) [1+ (Sp)/(So) (1-αT)(1-βT)]

≈90° (V_i)/(U_c) [1+ (S_p)/(S^o) - (S_p)/(S^o) (α+β)T]

≈90° (V_i)/(U_c) [1+ (S_p)/(S^o) ]

也与温度无关。这里，使用了α、β＜＜1及S_p/S°＜＜1的近似。

由上述讨论可见，采用本发明的传感器和电路结构，只要选用S_p（即R_p），满足S_p＝β/α·S°，则保证了倾角与二对电极间电导值之差成正比，且测量值在一定温度变化范围内，与温度变化无关。

本发明具有传感器结构与电路结构简单、合理，能有效补偿温度变化对测量精度的影响。由于倾斜角与电导值之差有线性关系，大大简化了电路设计。采用化学稳定性好的鼓状容器材料和电极金属材料，解决了寿命和化学稳定性问题。本发明结构简单、体积小、寿命长、功耗低，使用本发明，可测量偏离水平（或垂直）方向达±75°的倾角，测量精度优于±1%。本发明可广泛用于航天、航空、交通工具、机械、建筑、地质勘探、大地测量等工业和勘测设计部门。例如：叉车、吊车倾斜报警，轮船、火车倾斜监示，飞机飞行姿态监视，隧道、矿井施工中的偏离监示等。

以下具体描述实施例，参见附图。

按图1制成的鼓状容器所用的是玻璃材料，鼓面直径φ32mm，鼓壁是高8mm，内径φ21的玻璃环。本实施例采用溅射金属P_t后，用光刻方法在二个鼓面1，2内壁分别按图2和图3制备电极A、B和C。半圆环电极A、B的外径为φ20mm，内径φ10mm，二个半环端头距离2mm。做好电极后，将鼓面1，2和鼓壁3用低熔点玻璃封接。在圆形电极C的鼓面上有一小孔4，并封接P_t管，待注入导电液后，予以密封。导电液是电导率在10^-3-10^-4（Ω·cm）^-1范围内的甲醇+氯化钾或乙醇+硝酸锂。按图6将该鼓状容器的二对电极接入电路。图6中，温度补偿用电阻R_p是金属膜电阻，阻值75KΩ。矩形脉冲发生器5的脉冲频率0.5-1KC。

使用本实施例构成的测量装置，可测量0～±75°的倾斜角。在实测的0～45℃的温度范围内，传感器的测量精度优于±0.5%，整个装置的测量精度优于1%。

Claims

1、本发明是一种倾斜度测量装置，它由倾斜度测量传感器和测量、显示电路构成，倾斜度测量传感器是充有导电液的鼓状容器，本发明的特征在于：

(1)测量传感器的鼓状容器的二个鼓面内壁有三个电极，其中一个鼓面上有一对半圆环状电极，另一个鼓面上有一形状对称的电极，

(2)测量传感器的输出信号输入到运算放大器的同相端，

(3)连接在同相端的温度补偿用电阻R_ρ满足

R_ρ=α/βS^·

式中α为导电液电导率的温度系数，β为由于导电液体积随温度变化引起电导变化的温度系数，S^·为正常使用温度下鼓状容器一对半圆环状电极与另一鼓面上形状对称的公共电极间的总电导。

2、按权利要求1所述的倾斜度测量装置，其特征在于倾斜度测量传感器的鼓状容器由塑料、玻璃、石英或陶瓷材料制成，最好采用玻璃或石英。

3、按权利要求1所述的倾斜度测量装置，其特征在于鼓面上的电极材料可以是Cu、Ni、Mo、Ag、Au、Ir、Rh、Pt、Pd等，最好采用Au、Pt。

4、按权利要求1或3所述的倾斜度测量装置，其特征在于所述的电极可以用金属薄片粘贴、真空蒸镀、化学镀、丝网印刷、溅射等方法形成，最好采用真空蒸镀或溅射方法形成电极镀层，然后用光刻或等离子刻蚀形成一定的电极形状。

5、按权利要求1所述的倾斜度测量装置，其特征在于所说的导电液是蒸馏水、有机溶剂与盐类的混合物，最好是甲醇+氯化钾或乙醇+硝酸锂。