CN104406571A - 一种物体倾斜角在线测量的二维传感器及其测量倾角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于小倾角测量技术领域，具体是一种物体倾斜角在线测量的二维传感器及其测量倾角的方法。本发明利用两个单独隔离在不同金属隔离空间的测量元件构成一个二维传感器，测量元件包括厚度相同的绝缘物质容器壁组成的内部中空的圆环容器、缠绕在圆环容器上的一个激励线圈和两个感应线圈，圆环容器内部装有其一半容积的磁性液体，通过感应线圈的电压输出获得输出待测平面的倾角。本发明还提供一种一种具体的测量倾角的方法。本发明结构简单，对环境适应性强，可显著提高传感器的输出电压与倾角间的线性度，测量精度高。

Description

一种物体倾斜角在线测量的二维传感器及其测量倾角的方法

技术领域

本发明属于小倾角测量技术领域，具体是一种物体倾斜角在线测量的二维传感器及其测量倾角的方法。 

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，从而使物体的工作效率降低，甚至发生事故。有些电杆在发生暴雨、大雪、大风或者泥石流等灾害后，电杆也会发生倾斜。士兵作战时，为了能够精确命中目标，炮台的倾角有时也需要测量。在探测地质材料和工程测量时，为了能够准确勘探，其探头平衡度也需要进行测量。堤坝位移和桥梁变形控制，地震地壳变化监控等等都需要进行倾斜角的测量。在以上种种情况下，可以看出，倾角的测量大多数都在非常恶劣的环境下进行，为了克服这些困境，发明了一种精确、可靠、高效和低成本的倾角测量传感器。 

目前，测量倾角的技术也多种多样，使用较多的方案有固体单摆式测量、液体摆式测量以及气体摆式测量。这些测量方法也各有长短，其优点是体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等。固体单摆式测量方法，依据单摆运动原理，其制作简单，成本低廉，但是其误差大，测量范围小（0-5°)。气体摆式倾角测量传感器，其原理是根据气体流动性而设计的，其最大优点是抗震性好，但气体摆式倾角测量传感器相应慢，而且传感器的体积比较大。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种构造简单、高精度的物体倾斜角传感器。 

本发明所采用的技术方案是：一种物体倾斜角在线测量的二维传感器，底板为长方形平面的金属箱，内部被一金属板分为两个隔离空间，隔离空间内部分别安装一个构造相同的测量元件，所述测量元件包括厚度相同的绝缘物质容器壁组成的内部中空的圆环容器、缠绕在圆环容器上的一个激励线圈和两个感应线圈，圆环容器内部装有其一半容积的磁性液体，所述测量元件在金属隔离空间放置且其最大圆直径所在平面垂直空间底板，激励线圈关于圆环容器垂直金属箱底板的最大圆直径对称并且与底板距离较近，两个感应线圈关于圆环容器垂直金属箱底板的最大圆直径对称并且关于平行金属箱底板的最大圆直径对称；圆环容器最大圆直径所在平面垂直金属箱底面且两个圆环容器最大圆直径所在平面相互垂直，激励线圈的激励源为交流电源，两个感应线圈的上面两端通过导线连接，两个感应线圈的下面两端连接信号接收装置。 

一种利用权利要求本发明二维传感器测量倾角的方法，按照如下步骤进行： 

步骤一、将该二维传感器所组成的测量装置放置在待测平面上，使金属箱底板与待测平面平行；

步骤二、获得两个测量元件的输出电压 和；

步骤三、输出待测平面的倾角，其中为圆环容器最大圆半径，为线圈缠绕半径，为常数，为磁化率，为激励线圈匝数，为感应线圈匝数，为激励线圈电流强度，为滤波后的频率。

本发明的有益效果是：本发明结构简单，对环境适应性强，可显著提高传感器的输出电压与倾角间的线性度，测量精度高。 

附图说明

图1是本发明测量元件轮廓结构图； 

图2 本发明测量元件安装示意图；

图3是倾角测量示意图；

1、第一感应线圈，2、连接导线，3、第二感应线圈，4、磁性液体，5、激励线圈，6、输出电压，7、激励信号，8、铝制外壳，9、铝制隔板，10、第一测量元件，11、接线输入输出门，12、第二测量元件，13、物体倾斜角，14、第一测量元件所测倾角，15、第二测量元件所测倾角。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一种物体倾斜角在线测量的二维传感器，底面为平面的铝制容器内部通过铝板隔离成大小相等的两个隔离空间，隔离空间内分别安装一个构造相同的测量元件，测量元件包括厚度相同的玻璃容器壁组成的内部中空的玻璃圆环容器、缠绕在圆环容器上的一个激励线圈和两个感应线圈，玻璃圆环容器内部中空装有一半容积的磁性液体，磁性液体选择以Fe₂O₃和Co为磁性材料，煤油作为基载液，以油酸作为活性剂，测量元件在隔离空间竖直放置，激励线圈关于圆环容器垂直金属箱底板的直径对称并且与底板距离较近，两个感应线圈关于圆环容器垂直金属箱底板的直径并且关于平行金属箱底板的直径对称，所述圆环直径为外径；圆环容器直径所在平面垂直金属箱底面且两个圆环容器直径所在平面相互垂直，激励线圈的激励源为交流电源，两个感应线圈的上面两端通过导线连接，两个感应线圈的下面两端连接信号接收装置。 

本发明的两个感应线圈构成差动式结构，提高传感器输出灵敏度，铝制容器连同铝制隔板构成两封闭空间，两圆形玻璃容器装置分别置于两空间内，铝制空间屏蔽两圆形玻璃容器间的相互干扰。为了起到较好的屏蔽作用，接线输入、输出门在保证输入输出连线可穿过的情况下，应尽可能的小。 

设第一测量元件中激励线圈中电流为，匝数为，设感应线圈的匝数为，空气中的匝数为，磁性液体中的匝数为，则可知；设第一感应线圈的输出电压设为，空气部分线圈的电压为，液体部分线圈电压为，则，设第二感应线圈的输出电压为，设空气中磁导率为，磁性液体相对磁导率为。 

在倾斜角时，此倾斜角使第一感觉线圈所围磁性液体体积增大，则 

，

同时第二感应线圈发生与第一感应线圈相反的变化。

感应线圈的电压为 

将，带入，第一感应线圈的输出电压为

第二感应线圈的输出电压为

对外输出电压

在上式中，为线圈缠绕半径，为测量圆环最大圆半径。

相对磁导率与磁化率的关系是

感应线圈的输出压差经过处理后之后，所得的电压：

，为信号经过滤波后的频率

设传感器灵敏度为

则，。为常数。

根据图3，可得两圆形玻璃环容器装置所得角度与倾角之间的关系。 

设、为两圆形玻璃环容器装置所得角度，、为两圆形玻璃环容器装置所得输出电压，为倾角，为输出合成电压信号。 

则可得 

在测量小角度时（-10°-+10°），可认为

得，即得出：

即得到了输出电压信号与所测倾角之间的关系。

传感器输出信号可通过微控制器进行测量显示，其信号合成部分可通过软件编程实现，在显示屏上数字式显示测量角度。 

Claims (2)

1.一种物体倾斜角在线测量的二维传感器，其特征在于：底板为长方形平面的金属箱，内部被一金属板分为两个隔离空间，隔离空间内部分别安装一个构造相同的测量元件，所述测量元件包括厚度相同的绝缘物质容器壁组成的内部中空的圆环容器、缠绕在圆环容器上的一个激励线圈和两个感应线圈，圆环容器内部装有其一半容积的磁性液体，所述测量元件在金属隔离空间放置且其最大圆直径所在平面垂直空间底板，激励线圈关于圆环容器垂直金属箱底板的最大圆直径对称并且与底板距离较近，两个感应线圈关于圆环容器垂直金属箱底板的最大圆直径对称并且关于平行金属箱底板的最大圆直径对称；圆环容器最大圆直径所在平面垂直金属箱底面且两个圆环容器最大圆直径所在平面相互垂直，激励线圈的激励源为交流电源，两个感应线圈的上面两端通过导线连接，两个感应线圈的下面两端连接信号接收装置。

2.一种利用权利要求1所述的物体倾斜角在线测量的二维传感器测量倾角的方法，其特征在于按照如下步骤进行：

步骤一、将该二维传感器所组成的测量装置放置在待测平面上，使金属箱底板与待测平面平行；

步骤二、获得两个测量元件的输出电压 和；

步骤三、输出待测平面的倾角，其中为圆环容器最大圆半径，为线圈缠绕半径，为常数，为磁化率，为激励线圈匝数，为感应线圈匝数，为激励线圈电流强度，为滤波后的频率。