CN104006801B - 成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量方法与装置 - Google Patents
成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量方法与装置 Download PDFInfo
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Abstract
成对环‑四等分环‑圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量方法与装置属于角度测量技术，其中传感器单元的环形共面电容测头由一个圆形金属板、四个四分之一圆环形金属板和一个圆环形金属板组成，六块金属板共面同心，每一块四分之一圆环形金属板分别与圆形金属板、圆环形金属板形成电容，将两个上述环形共面电容测头分别安置于两个圆形绝缘基板上，并作为圆柱体容器的两个底面，将此圆柱体容器横置，在容器中密封注入体积1/2的绝缘性液体，电位引线将十二块金属板的电位取出并与电容测量单元的输入端相连，电容测量单元与倾角计算单元连接；容器发生倾斜时，两个环形共面电容测头与绝缘性液体的相对位置发生变化，通过测量电容容值的变化，可求得倾角值。
Description
技术领域
本发明属于角度测量技术领域，主要涉及一种倾角测量方法与装置。
背景技术
目前，公知的测量倾角的传感方法是利用液体的表面在静止状态下始终保持水平的原理。内部加入了液体的容器发生倾斜，稳定后液面保持水平，但液体与容器的相对位置发生了变化。通过检测这一过程所引发的电学量变化，计算出容器相对于内部的液体表面的角度，进而来测定容器的倾斜角。
对于检测容器与其内部所加入的液体表面的之间的倾斜角的传感方式，可分为电阻式和静电电容式两大类。
日本专利2001-13160号公报中介绍了电阻式传感器的相关技术，是将一端封闭的圆筒状的金属容器内密封入适量的导电性液体，开口用金属圆板堵塞。将一对金属电极贯通并固定于圆板。当容器倾斜时，容器与内部的液体表面所成的角度发生变化，从而使金属电极与导电性液体的接触面积改变，使得金属容器和各金属电极之间的电阻发生变化。通过测量其电阻值的变化，就能检测出容器的倾斜角。
但是，金属电极与导电性液体的直接接触，造成电极本身金属的析出、导电性液体的电解等电化学反应，传感器的精度及稳定性很难得到长期的保障。
关于静电电容式传感器，中国CN1668892A号专利中介绍了相关技术。该传感器就是在电绝缘体制的筒状密闭容器内密封入内容积的1/2量的导电性液体，容器内平行的两个侧面上放置板状主电极，其表面有硅氧化覆盖膜，充当电介质。当容器倾斜时，容器与内部的液体表面所成的角度发生变化，使得板状主电极和导电性液体之间的电容发生变化。从而，对其电容值的变化进行测量，以检测出容器的倾斜角的大小。
但是，在这种静电电容式传感器的情况下，当筒状密闭容器发生的倾斜角度过大时，容器内部的液体偏置一侧而失去与另一个主电极的接触，此时这种传感器失去功效。由于原理的局限性，其可测倾斜角的量程总是有限的，且取决于容器内部的结构尺寸。
发明内容
本发明针对上述现有检测倾角的传感方式中金属电极与导电性液体的直接接触、传感器稳定性很难得到长期的保障、可测倾角量程的有限性等问题，本发明提出和设计了成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量方法与装置，该发明中使用的绝缘性液体避免了极板的析出等电化学反应，传感器单元中的环形共面电容结构实现了360度全量程测量。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量方法，所述方法步骤如下：
(1)、将一个中心圆形金属板、过渡圆环形金属板和外部圆环形金属板共面同心放置，且过渡圆环形金属板沿径向四等分，得到四份四分之一圆环形金属板，所述每一份四分之一圆环形金属板分别与中心圆形金属板形成电容，所述每一份四分之一圆环形金属板分别与外部圆环形金属板形成电容，所述中心圆形金属板与外部圆环形金属板等电位接地，所述一个中心圆形金属板、四份四分之一圆环形金属板与外部圆环形金属板组合得到环形共面电容测头；
(2)、将两个上述环形共面电容测头垂直浸入到绝缘性液体中，两个环形共面电容测头共轴相向放置，且两个环形共面电容测头的四分之一圆环形金属板交错分布，绝缘性液体的液面通过两个环形共面电容测头的中心，每一份四分之一圆环形金属板与中心圆形金属板形成的电容容值以及每一份四分之一圆环形金属板与外部圆环形金属板形成的电容容值由空气的介电常数、绝缘性液体的介电常数、各自极板裸露在空气中部分所对的扇形角和浸没在绝缘性液体中部分所对的扇形角共同决定；
(3)、上述两个环形共面电容测头沿中心进行圆周旋转时，其倾角发生改变，绝缘性液体的液面保持水平，两个环形共面电容测头与绝缘性液体的相对位置发生变化，各极板裸露在空气中部分所对的扇形角和浸没在绝缘性液体中部分所对的扇形角发生改变，测量上述四分之一圆环形金属板与中心圆形金属板形成的电容容值以及上述四分之一圆环形金属板与外部圆环形金属板形成的电容容值的变化，求得倾角值；
(4)、上述两个环形共面电容测头沿中心进行圆周旋转，绝缘性液体液面临近任一环形共面电容测头的径向分割线时，取另一环形共面电容测头所得的计算结果作为最终倾角计算结果。
一种成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量装置，包括电容测量单元和倾角计算单元，所述电容测量单元与倾角计算单元连接；所述装置还包括传感器单元，所述传感器单元的构造是：在两端呈开口状的圆柱体容器的两开口端分别密封装配两个圆形绝缘基板，在圆柱体容器腔内位于两个圆形绝缘基板里侧面上分别配装两个环形共面电容测头A、B；所述环形共面电容测头A由一个圆形金属板a、四个四分之一圆环形金属板b、c、d、e和一个圆环形金属板f构成，其中四个四分之一圆环形金属板b、c、d、e配置在一个圆形金属板a外侧、一个圆环形金属板f里侧，且四个四分之一圆环形金属板b、c、d、e与一个圆形金属板a、一个圆环形金属板f共面同心，四个四分之一圆环形金属板b、c、d、e沿周向均匀分布；所述环形共面电容测头B由一个圆形金属板g、四个四分之一圆环形金属板h、i、j、k和一个圆环形金属板l构成，其中四个四分之一圆环形金属板h、i、j、k配置在一个圆形金属板g外侧、一个圆环形金属板l里侧，且四个四分之一圆环形金属板h、i、j、k与一个圆形金属板g、一个圆环形金属板l共面同心，四个四分之一圆环形金属板h、i、j、k沿周向均匀分布；所述环形共面电容测头A的四个四分之一圆环形金属板b、c、d、e和环形共面电容测头B的四个四分之一圆环形金属板h、i、j、k交错分布；十二根电位引线依次分别将圆形金属板a、四个四分之一圆环形金属板b、c、d、e、一个圆环形金属板f和圆形金属板g、四个四分之一圆环形金属板h、i、j、k、一个圆环形金属板l与电容测量单元的输入端连接；所述圆柱体容器呈横置，在所述圆柱体容器内密封注入占圆柱体容器体积二分之一的绝缘性液体。
本发明具有以下特点及良好效果：
(1)与电阻式倾角测量装置相比，由于与电极极板接触的是绝缘性液体，避免了极板本身金属的析出等电化学反应，因此能够长期维持传感器的稳定性和可靠性。
(2)与静电电容式倾角测量装置相比，由于横置的容器可沿中心轴线360度旋转，输出的电容值始终与倾斜角存在函数关系，因此测量范围不受限制，具有360度全量程测量的特点。
(3)最外部的圆环形金属板与中心圆形金属板等电位接地并参与电容计算，等价于增大了中心圆形金属板的面积，提高了倾角测量的灵敏度，同时对四份四分之一圆环形金属板起到了电位保护作用，减少了外界对四分之一圆环形金属板的干扰，使得测量结果更加精确。
(4)由于使用了共轴相向放置的两个环形共面电容测头，且两个环形共面电容测头的四分之一圆环形金属板交错分布，提高了绝缘性液体液面临近环形共面电容测头的径向分割线时倾角测量的灵敏度，测量结果更加精确。
附图说明
图1为成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量装置的传感器单元的外形透视图
图2为成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量装置的传感器单元中环形共面电容测头A的原理示意图
图3为成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量装置的传感器单元中环形共面电容测头B的原理示意图
图4为成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量装置的传感器单元中环形共面电容测头A的正视图
图5为成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量装置的传感器单元中环形共面电容测头B的正视图
图6为成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量装置的传感器单元中环形共面电容测头A倾斜时的说明图
图7为成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量装置的传感器单元中环形共面电容测头B倾斜时的说明图
图8为成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量装置的整体结构示意图
图中件号说明：1环形共面电容测头A、2圆形金属板a、3四分之一圆环形金属板b、4四分之一圆环形金属板c、5四分之一圆环形金属板d、6四分之一圆环形金属板e、7圆环形金属板f、8圆形绝缘基板、9环形共面电容测头B、10圆形金属板g、11四分之一圆环形金属板h、12四分之一圆环形金属板i、13四分之一圆环形金属板j、14四分之一圆环形金属板k、15圆环形金属板l、16圆形绝缘基板、17圆柱体容器、18绝缘性液体、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30电位引线、31传感器单元、32电容测量单元、33倾角计算单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
一种成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量装置，包括传感器单元31、电容测量单元32和倾角计算单元33，如图5所示为倾角测量装置的整体结构示意图。
图1中示出倾角测量装置的传感器单元的外形透视图，所述传感器单元31的构造是：在两端呈开口状的圆柱体容器17的两开口端分别密封装配两个圆形绝缘基板8、16，在圆柱体容器17腔内位于两个圆形绝缘基板8、16里侧面上分别配装两个环形共面电容测头A1、B9；所述环形共面电容测头A1由一个圆形金属板a2、四个四分之一圆环形金属板b3、c4、d5、e6和一个圆环形金属板f7构成，其中四个四分之一圆环形金属板b3、c4、d5、e6配置在一个圆形金属板a2外侧、一个圆环形金属板f7里侧，且四个四分之一圆环形金属板b3、c4、d5、e6与一个圆形金属板a2、一个圆环形金属板f7共面同心，四个四分之一圆环形金属板b3、c4、d5、e6沿周向均匀分布；所述环形共面电容测头B9由一个圆形金属板g10、四个四分之一圆环形金属板h11、i12、j13、k14和一个圆环形金属板l15构成，其中四个四分之一圆环形金属板h11、i12、j13、k14配置在一个圆形金属板g10外侧、一个圆环形金属板l15里侧，且四个四分之一圆环形金属板h11、i12、j13、k14与一个圆形金属板g10、一个圆环形金属板l15共面同心，四个四分之一圆环形金属板h11、i12、j13、k14沿周向均匀分布；所述环形共面电容测头A1的四个四分之一圆环形金属板b3、c4、d5、e6和环形共面电容测头B9的四个四分之一圆环形金属板h11、i12、j13、k14交错分布；十二根电位引线19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30依次分别将圆形金属板a2、四个四分之一圆环形金属板b3、c4、d5、e6、一个圆环形金属板f7和圆形金属板g10、四个四分之一圆环形金属板h11、i12、j13、k14、一个圆环形金属板l15与电容测量单元32的输入端连接；所述圆柱体容器17呈横置，在所述圆柱体容器17内密封注入占圆柱体容器17体积二分之一的绝缘性液体18。
所述的圆形绝缘基板8、16由树脂玻纤材料制成。
所述的绝缘性液体18是由甲醇、乙醇、异丙醇的醇类、丙酮、丁酮的酮类、二甘醇单丁基醚的醚类中的一种或多种成分组合的液体。
一种成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量方法，该方法步骤如下：
(1)将一个中心圆形金属板、过渡圆环形金属板和外部圆环形金属板共面同心放置，且过渡圆环形金属板沿径向四等分，得到四份四分之一圆环形金属板，所述每一份四分之一圆环形金属板分别与中心圆形金属板形成电容，所述每一份四分之一圆环形金属板分别与外部圆环形金属板形成电容，所述中心圆形金属板与外部圆环形金属板等电位接地，所述一个中心圆形金属板、四份四分之一圆环形金属板与外部圆环形金属板组合得到环形共面电容测头。
参照附图2、3，环形共面电容测头A、B的金属板间电力线沿金属板均匀分布，可近似用半圆弧形线代替。依照单一共面电容的求解公式，可知环形共面电容与电介质的介电常数成正比关系，可用下式表示。
C＝K·ε
(2)将两个上述环形共面电容测头垂直浸入到绝缘性液体中，两个环形共面电容测头共轴相向放置，且两个环形共面电容测头的四分之一圆环形金属板交错分布，绝缘性液体的液面通过两个环形共面电容测头的中心，每一份四分之一圆环形金属板与中心圆形金属板形成的电容容值以及每一份四分之一圆环形金属板与外部圆环形金属板形成的电容容值由空气的介电常数、绝缘性液体的介电常数、各自极板裸露在空气中部分所对的扇形角和浸没在绝缘性液体中部分所对的扇形角共同决定。
图4为倾角测量装置的传感器单元中环形共面电容测头A的正视图，金属板2、3所形成的电容、金属板2、4所形成的电容、金属板2、5所形成的电容、金属板2、6所形成的电容、金属板3、7所形成的电容、金属板4、7所形成的电容、金属板5、7所形成的电容以及金属板6、7所形成的电容可分别用下式表示。
图5为倾角测量装置的传感器单元中环形共面电容测头B的正视图，金属板10、11所形成的电容、金属板10、12所形成的电容、金属板10、13所形成的电容、金属板10、14所形成的电容、金属板11、15所形成的电容、金属板12、15所形成的电容、金属板13、15所形成的电容以及金属板14、15所形成的电容可分别用下式表示。
(3)上述两个环形共面电容测头沿中心进行圆周旋转时，其倾角发生改变，绝缘性液体的液面保持水平，两个环形共面电容测头与绝缘性液体的相对位置发生变化，各极板裸露在空气中部分所对的扇形角和浸没在绝缘性液体中部分所对的扇形角发生改变。
图6示出环形共面电容测头A倾斜时的说明图。此时金属板2、3所形成的电容、金属板2、4所形成的电容、金属板2、5所形成的电容、金属板2、6所形成的电容、金属板3、7所形成的电容、金属板4、7所形成的电容、金属板5、7所形成的电容以及金属板6、7所形成的电容分别为：
由于金属板2和金属板7等电位接地，则金属板2、3所形成的电容与金属板3、7所形成的电容为并联关系，金属板2、4所形成的电容与金属板4、7所形成的电容为并联关系，金属板2、5所形成的电容与金属板5、7所形成的电容为并联关系，金属板2、6所形成的电容与金属板6、7所形成的电容为并联关系，对上式组合求和可得：
对上式组合作差可得：
进而求得倾斜角的求解公式为：
图7示出环形共面电容测头B倾斜时的说明图。此时金属板10、11所形成的电容、金属板10、12所形成的电容、金属板10、13所形成的电容、金属板10、14所形成的电容、金属板11、15所形成的电容、金属板12、15所形成的电容、金属板13、15所形成的电容以及金属板14、15所形成的电容分别为：
由于金属板10和金属板15等电位接地，则金属板10、11所形成的电容与金属板11、15所形成的电容为并联关系，金属板10、12所形成的电容与金属板12、15所形成的电容为并联关系，金属板10、13所形成的电容与金属板13、15所形成的电容为并联关系，金属板10、14所形成的电容与金属板14、15所形成的电容为并联关系，对上式组合求和可得：
对上式组合作差可得：
进而求得倾斜角的求解公式为：
通过电容测量单元和倾角计算单元将得到的信号进行比较处理，即可倾斜角输出。
(4)上述两个环形共面电容测头沿中心进行圆周旋转，绝缘性液体液面临近任一环形共面电容测头的径向分割线时，取另一环形共面电容测头所得的计算结果作为最终倾角计算结果。
当倾斜角在±45°和±135°附近时，绝缘性液体的液面临近环形共面电容测头B的径向分割线，此时以环形共面电容测头A作为电容测量单元的输入，可提高倾角测量装置的灵敏度，使测量结果更加精确。同理，当倾斜角在0°和±90°附近时，绝缘性液体的液面临近环形共面电容测头A的径向分割线，此时以环形共面电容测头B作为电容测量单元的输入，亦可达到相同的效果。
Claims (4)
1.一种成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
(1)、将一个中心圆形金属板、过渡圆环形金属板和外部圆环形金属板共面同心放置，且过渡圆环形金属板沿径向四等分，得到四份四分之一圆环形金属板，所述每一份四分之一圆环形金属板分别与中心圆形金属板形成电容，所述每一份四分之一圆环形金属板分别与外部圆环形金属板形成电容，所述中心圆形金属板与外部圆环形金属板等电位接地，所述一个中心圆形金属板、四份四分之一圆环形金属板与外部圆环形金属板组合得到环形共面电容测头；
(2)、将两个上述环形共面电容测头垂直浸入到绝缘性液体中，两个环形共面电容测头共轴相向放置，且两个环形共面电容测头的四分之一圆环形金属板交错分布，绝缘性液体的液面通过两个环形共面电容测头的中心，每一份四分之一圆环形金属板与中心圆形金属板形成的电容容值以及每一份四分之一圆环形金属板与外部圆环形金属板形成的电容容值由空气的介电常数、绝缘性液体的介电常数、各自极板裸露在空气中部分所对的扇形角和浸没在绝缘性液体中部分所对的扇形角共同决定；
(3)、上述两个环形共面电容测头沿中心进行圆周旋转时，其倾角发生改变，绝缘性液体的液面保持水平，两个环形共面电容测头与绝缘性液体的相对位置发生变化，各极板裸露在空气中部分所对的扇形角和浸没在绝缘性液体中部分所对的扇形角发生改变，测量上述四分之一圆环形金属板与中心圆形金属板形成的电容容值以及上述四分之一圆环形金属板与外部圆环形金属板形成的电容容值，求得倾角值；
针对环形共面电容测头A，转过角度为θ时，倾角θ计算公式为：
其中，C23、C24、C25、C26分别为四分之一圆形金属板（3、4、5、6）和中心圆形金属板（2）之间形成的电容，C37、C47、C57、C67分别为四分之一圆形金属板（3、4、5、6）和外部圆形金属板（7）之间形成的电容；
针对环形共面电容测头B，转过角度为θ时，倾角θ计算公式为：
其中，C1011、C1012、C1013、C1014分别为四分之一圆形金属板（11、12、13、14）和中心圆形金属板（10）之间形成的电容，C1115、C1215、C1315、C1415分别为四分之一圆形金属板（11、12、13、14）和外部圆形金属板（15）之间形成的电容；
(4)、上述两个环形共面电容测头沿中心进行圆周旋转，绝缘性液体液面临近任一环形共面电容测头的径向分割线时，取另一环形共面电容测头所得的计算结果作为最终倾角计算结果。
2.一种成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量装置，包括电容测量单元(32)和倾角计算单元(33)，所述电容测量单元(32)与倾角计算单元(33)连接；其特征在于：所述装置还包括传感器单元(31)，所述传感器单元(31)的构造是：在两端呈开口状的圆柱体容器(17)的两开口端分别密封装配两个圆形绝缘基板(8、16)，在圆柱体容器(17)腔内位于两个圆形绝缘基板(8、16)里侧面上分别配装两个环形共面电容测头A、B(1、9)；所述环形共面电容测头A(1)由一个圆形金属板a(2)、四个四分之一圆环形金属板b、c、d、e(3、4、5、6)和一个圆环形金属板f(7)构成，其中四个四分之一圆环形金属板b、c、d、e(3、4、5、6)配置在一个圆形金属板a(2)外侧、一个圆环形金属板f(7)里侧，且四个四分之一圆环形金属板b、c、d、e(3、4、5、6)与一个圆形金属板a(2)、一个圆环形金属板f(7)共面同心，四个四分之一圆环形金属板b、c、d、e(3、4、5、6)沿周向均匀分布；所述环形共面电容测头B(9)由一个圆形金属板g(10)、四个四分之一圆环形金属板h、i、j、k(11、12、13、14)和一个圆环形金属板l(15)构成，其中四个四分之一圆环形金属板h、i、j、k(11、12、13、14)配置在一个圆形金属板g(10)外侧、一个圆环形金属板l(15)里侧，且四个四分之一圆环形金属板h、i、j、k(11、12、13、14)与一个圆形金属板g(10)、一个圆环形金属板l(15)共面同心，四个四分之一圆环形金属板h、i、j、k(11、12、13、14)沿周向均匀分布；所述环形共面电容测头A(1)的四个四分之一圆环形金属板b、c、d、e(3、4、5、6)和环形共面电容测头B(9)的四个四分之一圆环形金属板h、i、j、k(11、12、13、14)交错分布；十二根电位引线(19、20、21、22、 23、24、25、26、27、28、29、30)依次分别将圆形金属板a(2)、四个四分之一圆环形金属板b、c、d、e(3、4、5、6)、一个圆环形金属板f(7)和圆形金属板g(10)、四个四分之一圆环形金属板h、i、j、k(11、12、13、14)、一个圆环形金属板l(15)与电容测量单元(32)的输入端连接；所述圆柱体容器(17)呈横置，在所述圆柱体容器(17)内密封注入占圆柱体容器(17)体积二分之一的绝缘性液体(18)。
3.根据权利要求2所述的成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量装置，其特征在于：所述的圆形绝缘基板(8、16)由树脂玻纤材料制成。
4.根据权利要求2所述的成对环-四等分环-圆嵌套极板相向交错放置式倾角测量装置，其特征在于：所述的绝缘性液体(18)是由甲醇、乙醇、异丙醇的醇类、丙酮、丁酮的酮类、二甘醇单丁基醚的醚类中的一种或多种成分组合的液体。
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