CN104296723B - 一种设备平衡在线测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及小倾角测量技术领域，特别涉及物体各个平面倾斜度以及倾斜方向的测量技术，具体是一种设备平衡在线测量装置。一种设备平衡在线测量装置，包括外壳、电源、垂直布置的两个水准泡水平仪、安装在外壳上表面的显示器、安装在外壳内部的处理芯片、安装在外壳内部的传感器电容，所述传感器电容为一个充有高介电常数的液体的前、后、左、右安装有电容极板的容器，前后两块电容极板构成第一电容传感器，左右两块电容极板构成第二电容传感器。本发明结构简单，不仅能够准备快速地测量出物体表面的倾角，而且同时能测量出倾向角。

Description

一种设备平衡在线测量装置

技术领域

本发明涉及小倾角测量技术领域，特别涉及物体各个平面倾斜度以及倾斜方向的测量技术，具体是一种设备平衡在线测量装置。

背景技术

在安装一套设备时或者一套设备工作年代长久时，总有些重要的零部件发生位置的移动或者旋转，从而使设备的工作效率降低，甚至发生事故，为了使设备各个零部件可以正常工作，在安装过程中就需要对个别零部件平衡状态进行在线测量，这就涉及到了零部件的各个平面与水平面的倾角测量以及往什么方向倾斜的问题，有些零部件在安装时或者使用了许多年后，都用人眼大约估计或者水准泡水平仪测量，但是由于其角度变化微小，这些方法检测出的结果不精确，而且效率低。当前也有许多倾角测量的发明专利，但是许多发明专利要么适应环境能力差，要么成本比较高，要么测量稳定性差。为了实现设备安装平衡在线测量和平衡状态校准测量，在保证测量精度、系统寿命、测量稳定性和测量效率的情况下，尽可能减少成本，提高测量实时重复校准，实现测量装置便携，而设计本发明一种设备平衡在线测量装置。

目前，在测量倾角的问题上，公知的就是当容器发生倾斜时，利用在先前置于容器内的液体表面保持水平，当容器发生倾斜时，过一段时间后，容器内的液体会再次达到平衡状态，液体位置就会与容器发生相对位置的改变，通过测量这一相对位置的改变转换成电量，就能获得倾角的变化。

对于检测容器与其内部所加入的液体表面之间倾角变化的测量方式的不同，分为电阻式和静电电容式。

在设计此类倾角传感器时，一般容器内的液体与电容的两极板接触，由于在带电的情况下，造成了电容极板的腐蚀以及再次析出，这不仅大大缩短了传感器的使用寿命，而且给测量结果的精确性带来了一定的偏移。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何解决现有倾角测量装置，一般只能测量倾角，无法测量倾向角，并且可维护性差，精度不高，误差大。

本发明中的所述倾角是指物体平面与水平面的夹角，所述倾向角是指物体平面与水平面的夹角锐角的开口方向。

本发明所采用的技术方案是：一种设备平衡在线测量装置，包括外壳、电源、垂直布置的两个水准泡水平仪、安装在外壳上表面的显示器、安装在外壳内部的处理芯片、安装在外壳内部的传感器电容，所述传感器电容为一个充有液体的前、后、左、右安装有电容极板的容器，前后两块电容极板构成第一电容传感器，左右两块电容极板构成第二电容传感器。

作为一种优选方式：所述传感器电容为一个正方体容器，内部充有由乙醇、异丙醇、丙酮、丁酮、二甘醇单丁基醚中的一种或多种成分构成的液体，容器的前、后、左、右面安装有与所在面外周正方形内切圆同圆心的圆形电容极板，传感器电容水平放置时，液体液面经过电容极板圆心。

作为一种优选方式：垂直布置的两个水准泡水平仪安装在外壳的上表面，外壳的上表面与传感器电容上表面平行，正方体容器的前后两块电容极板的中心连线与两个水准泡水平仪所在的平面平行。

作为一种优选方式：所述传感器电容外壁由树脂纤维材料做成。

作为一种优选方式：外壳内部有一水平转轴，水平转轴上有转子，转子安装在传感器电容底部，外壳上表面有控制电源断开与导通的第一开关，外壳上表面有控制转子相对与转轴转动的第二开关。

作为一种优选方式：外壳上表面有控制电源断开与导通的第一开关，外壳上表面有控制传感器电容相对于三脚架中心轴旋转的第二开关。

本发明的有益效果是：本发明结构简单，不仅能够准备快速地测量出物体表面的倾角，而且同时能测量出倾向角。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明传感器电容结构示意图；

图3第一电容传感器与第二电容传感器两垂直电容计算等效图；

图4第一电容传感器与第二电容传感器两垂直电容坐标几何图；

图5倾角变化时，电容相对位置的变化图。

其中，1、外壳，2、三脚支架，3、水平转轴，4、传感器电容，5、显示器，6、垂直布置的两个水准泡水平仪，7、第一开关，8、第二开关，9、电容极板，10、液体，11、转子，12、传感器密封盖，13、第一电容传感器等效图，14第二电容传感器等效图，15、测量平面。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种设备平衡在线测量装置包括外壳、电源、垂直布置的两个水准泡水平仪(圆柱形玻璃外壳内装有一定纯净水的简单微型水平仪即可，判断倾向角方向)、安装在外壳上表面的显示器、安装在外壳内部的处理芯片、安装在外壳内部的传感器电容，如图2所示，所述传感器电容为一个正方体的容器，内部充有由乙醇、异丙醇、丙酮、丁酮、二甘醇单丁基醚中的一种或多种成分构成的液体，容器的前、后、左、右面安装有与所在面外周正方形内切圆同圆心的圆形电容极板，水平放置时，液体的液面经过电容极板圆心。垂直布置的两个水准泡水平仪安装在外壳的上表面，外壳的上表面与传感器电容上表面平行，正方体容器的前后两块电容极板的中心连线与两个水准泡水平仪的一个平行。所述传感器电容外壁由树脂纤维材料做成。外壳的下表面安装有三角支架，三角支架的任意两个角之间的度数相等。外壳内部有一水平转轴，水平转轴上有转子，转子安装在传感器电容底部，外壳上表面有控制电源断开与导通的第一开关，外壳上表面有控制转子相对与转轴转动的第二开关。为了使传感器输出角度精确反应被测角度，在测量角度之前需校正传感器，即测小角度时，需将测量装置置于绝对水平面上，转动转子，微调传感器电容，使液体液面经过各个电容极板圆心位置。此时把三角支架放置在所需测量的传感器上面，开动第一开关就可以在显示器中读出倾角、倾向角。

如图3、图4、图5，进行倾角、倾向角的计算如下：

设电容C1测得的倾角为α，电容C2测得的倾角为β，θ为所求倾角，σ为和倾向角有关的角，则：

$\stackrel{\‾}{BC}=l/tan\mathrm{\θ}$

$\stackrel{\‾}{BD}=l/tan\mathrm{\α}$

$sin\mathrm{\σ}=\frac{\stackrel{\‾}{BC}}{\stackrel{\‾}{BD}}=\frac{l/tan\mathrm{\θ}}{l/tan\mathrm{\α}}=\frac{tan\mathrm{\α}}{tan\mathrm{\θ}}$

同理

$sin\mathrm{\γ}=\frac{tan\mathrm{\β}}{tan\mathrm{\θ}}$

由三余弦定理和两电容垂直得：

cos²γcos²β+cos²σcos²α＝(1-sin²γ)cos²β+(1-sin²σ)cos²α

$(1-{\sin }^2\mathrm{\γ}){\cos }^2\mathrm{\β}+(1-{\sin }^2\mathrm{\σ}){\cos }^2\mathrm{\α}=(1-\frac{{\tan }^2\mathrm{\β}}{{\tan }^2\mathrm{\θ}}){\cos }^2\mathrm{\β}+(1-\frac{{\tan }^2\mathrm{\α}}{{\tan }^2\mathrm{\θ}}){\cos }^2\mathrm{\α}$

cos²γcos²β+cos²σcos²α＝1

${\tan }^2\mathrm{\θ}=\frac{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\sin }^2\mathrm{\β}}{{\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β}-1},{\sin }^2\mathrm{\σ}=\frac{{\tan }^2\mathrm{\α}({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β}-1)}{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\sin }^2\mathrm{\β}}$

B，E分别为A，F在水平面投影。其中θ为所求倾角，90°-σ为相对于电容C1在水平面投影的水平倾向角。

使用两垂直水平仪判断倾向角的具体方向，根据90°-σ计算倾向角大小(相对于电容C1)。

电容变化和倾角变化之间的关系：

当测量系统置于所测平面上时，电容C1的倾角为ψ，如图5所示。设圆柱母线为2L(两极板间的距离)，半径为R₀，在圆柱体内，一个极板液体上升高度为h，另一个极板下降h，并且

$tan\mathrm{\ψ}=\frac{h}{L},$ 即h＝tanψ·L

有电容的表达式(其中ε为介电常数，S为电容两极板正对面积，d两极板间距离，k静电力常量)，

可知面积改变：

$\mathrm{\Δ}S\≈h(R_0+\sqrt{{R_0}^2-h^2}),$

电容改变量为：

$\mathrm{\Δ}C=\frac{\mathrm{\ϵ}\mathrm{\Δ}S}{4k\mathrm{\π}d}=\frac{\mathrm{\ϵ}h(R_0+\sqrt{{R_0}^2-h^2})}{4k\mathrm{\π}d}=\frac{\mathrm{\ϵ}\·tan\mathrm{\ψ}\·L\·(R_0+\sqrt{{R_0}^2-{\tan }^2\mathrm{\ψ}\·L^2})}{4k\mathrm{\π}d}$

根据前面所求，将ψ分别替换成α和β即得所求。

测量的倾角较小，可得结果：

${\tan }^2\mathrm{\θ}=({{\mathrm{\ΔC}}_1}^2+{{\mathrm{\ΔC}}_2}^2)/{\left(\frac{{\mathrm{\ϵR}}_{0}L}{2k\mathrm{\π}d}\right)}^2$

此式说明：倾角正切值的平方近似正比于两电容值改变量的平方和。

${\sin }^2\mathrm{\σ}=\frac{{{\mathrm{\ΔC}}_1}^2}{{{\mathrm{\ΔC}}_1}^2+{{\mathrm{\ΔC}}_2}^2}$

以上得出倾角变化与电容变化间的关系，即获得了倾角值，以及倾向角值。判断倾角往什么方向开口，即倾向角方向(如图4，倾向角方向为Y的负方向)，根据两水平水准泡水平仪判断。测量较大角度时(45°-90°)，需翻转传感器电容(使传感器电容与水平面夹角尽量小，减小测量误差)，所得角度值为与竖直线之间的夹角，此时倾角值为90°减测量角。

Claims (7)

1.一种设备平衡在线测量装置，其特征在于：包括外壳、电源、垂直布置的两个水准泡水平仪、安装在外壳上表面的显示器、安装在外壳内部的处理芯片、安装在外壳内部的传感器电容，所述传感器电容为一个正方体容器，内部充有由乙醇、异丙醇、丙酮、丁酮、二甘醇单丁基醚中的一种或多种成分构成的液体，容器的前、后、左、右面安装有与所在面外周正方形内切圆同圆心的圆形电容极板，传感器电容水平放置时，液体的液面经过电容极板圆心，前后两块电容极板构成第一电容传感器，左右两块电容极板构成第二电容传感器。

2.根据权利要求1所述的一种设备平衡在线测量装置，其特征在于：垂直布置的两个水准泡水平仪安装在外壳的上表面，外壳的上表面与传感器电容上表面平行，正方体容器的前后两块电容极板的中心连线与两个水准泡水平仪所在的平面平行。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的一种设备平衡在线测量装置，其特征在于：所述传感器电容外壁由树脂纤维材料做成。

4.根据权利要求3所述的一种设备平衡在线测量装置，其特征在于：外壳的下表面安装有三角支架，三角支架的任意两个角之间的度数相等，三角支架的三个支点的连线构成一个等边三角形。

5.根据权利要求4所述的一种设备平衡在线测量装置，其特征在于：外壳内部有一水平转轴，水平转轴上有转子，转子安装在传感器电容底部，外壳上表面有控制电源断开与导通的第一开关，外壳上表面有控制转子相对与转轴转动的第二开关。

6.根据权利要求1或者权利要求2所述的一种设备平衡在线测量装置，其特征在于：外壳的下表面安装有三角支架，三角支架的任意两个角之间的度数相等，三角支架的三个支点的连线构成一个等边三角形，三角支架的中心轴穿三角支架的顶点和等边三角形的中线交叉点，三角支架的顶点有一水平横梁。

7.根据权利要求6所述的一种设备平衡在线测量装置，其特征在于：外壳内部有一水平转轴，水平转轴上有转子，转子安装在传感器电容底部，外壳上表面有控制电源断开与导通的第一开关，外壳上表面有控制转子相对与转轴转动的第二开关。