CN104949652A - 平面倾斜检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平面倾斜检测装置，包括正交安装于被测平面上的第一和第二变面积差动式电容传感器、分别将所述第一和第二变面积差动式电容传感器的电容量转换为第一和第二直流电信号输出的第一和第二测量电路、以及根据所述第一和第二直流电信号计算被测平面的倾斜角度和倾斜方向的计算单元。本发明还提供了一种平面倾斜检测方法。本发明提供的平面倾斜检测装置及方法，能够实时、精确、有效地检测出被测平面的倾斜角度和倾斜方向，有利于在实际生产作业中保持被测平面的水平。

Description

平面倾斜检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于对平面的倾斜角度和倾斜方向进行检测的装置及方法。

背景技术

煤气柜是工业和民用煤气的储存装置，其中的干式煤气柜由于储存量大、机构简洁而被广泛使用。干式煤气柜的特点是以柜内的活塞升、降来调整储存空间，活塞的升降运动由煤气的吞吐量所决定，当煤气柜内的煤气量增加时煤气内压升高，活塞因受到托力的增大而上升；当煤气柜内的煤气量减少时煤气的内压就降低，活塞因受到托力的下降而降低。同时由于活塞的重量恒定，煤气柜无论其容量增减，内部的煤气压力始终保持稳定。

但在实际应用中活塞的运动经常受到其边缘导轨、导轮等各种因素的影响而发生局部升降受阻，造成的结果是活塞发生倾斜。一旦发生活塞倾斜现象，活塞将不再运动，其中的煤气压力必将发生变化，对用户的用气造成有害影响。由于煤气是一种无色、无味的有毒气体，如不及时对活塞的倾斜进行处理，将可能对煤气柜本体、环境以及人身造成极大的破坏和伤害。

因此，在实际的生产作业中需要一种装置及方法来实时连续地检测煤气柜活塞等平面的倾斜状况，由于煤气柜活塞出现倾斜之后的危害很大，因此需要检测装置和方法足够灵敏、可靠和稳定；同时，为了便于工作人员采取调整措施，不仅需要检测出平面的倾斜角度，还需要检测出倾斜方向。

发明内容

为此，本发明提供了一种平面倾斜检测装置，包括固定安装于被测平面上的第一和第二变面积差动式电容传感器，所述变面积差动式电容传感器包括壳体、固定设置于所述壳体内且垂直于被测平面的定片、穿过所述定片的上端部并与所述定片垂直且能够相对于所述壳体转动的驱动轴、固定设置于所述驱动轴上且邻近于并平行于所述定片的动片、以及与所述驱动轴固定连接的重力锤，其中，所述动片为极板，所述定片的表面设置有第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板分别与所述动片的极板的不同部分构成第一电容和第二电容；所述第一变面积差动式电容传感器的驱动轴与第二变面积差动式电容器的驱动轴垂直。

优选地，所述变面积差动式电容传感器包括多个间隔设置的所述动片和定片，每对所述动片和定片形成的第一电容相互并联形成第一电容组，每对所述动片和定片形成的第二电容相互并联形成第二电容组；所述驱动轴由滚珠轴承支撑，所述重力锤由推力轴承固定。

优选地，所述动片为以所述驱动轴的轴线为圆心的扇形极板。

进一步地，所述平面倾斜检测装置还包括分别将所述第一和第二变面积差动式电容传感器的电容量转换为第一和第二直流电信号输出的第一和第二测量电路，所述测量电路包括根据所述第一和第二电容组调制方波占空比的差动脉宽调制电路、对所述方波进行滤波以得到直流电信号的滤波电路、以及对直流电信号进行放大以得到预定大小的直流电信号的电流放大电路。

进一步地，所述平面倾斜检测装置还包括用于计算被测平面倾斜角度和倾斜方向的计算单元。

进一步地，该装置还包括用于显示所述倾斜角度和倾斜方向的显示装置、以及当所述倾斜角度达到或超过预定角度时输出报警信息的报警装置。

本发明还提供了一种平面倾斜检测方法，包括在被测平面上预设两条相互垂直的坐标轴X轴和Y轴，并在该被测平面上固定安装第一和第二变面积差动式电容传感器以使得所述第一变面积差动式电容传感器的动片能够沿所述X轴方向摆动且所述第二变面积差动式电容传感器的动片能够沿所述Y轴方向摆动，通过第一和第二测量电路分别将所述第一和第二变面积差动式电容传感器的电容量转换为第一和第二直流电信号，该方法还包括根据如下公式计算被测平面的倾斜角度β：其中，I_x为所述第一直流电信号的电流大小，I_y为所述第二直流电信号的电流大小，I₀为当被测平面水平时所述直流电信号的电流大小，l为根据如下公式计算的被测平面的半径系数：其中，β_max为预定的被测平面的最大倾斜角度，z_max为当被测平面的倾斜角度为β_max时该平面的倾斜模数，z_max根据如下公式计算：其中，I'_x和I'_y分别为当被测平面的倾斜角度为β_max时所述第一和第二直流电信号的电流大小。

进一步地，还包括根据如下方法计算被测平面的倾斜方向：当I_x=I₀且I_y=I₀时，被测平面无倾斜；否则，根据如下公式计算被测平面的倾斜方向与X轴正方向的夹角α：

进一步地，还包括如下预校准过程：将所述第一和第二变面积差动式电容传感器正交安装于活动平面上，保持所述活动平台水平，调节所述第一和第二测量电路，使得I_x=I₀且I_y=I₀；保持所述活动平台沿X轴的正方向的倾斜角度为β_max，调节所述第一和第二测量电路，使得I_x=I_max且I_y=I₀；保持所述活动平台沿X轴的负方向的倾斜角度为β_max，调节所述第一和第二测量电路，使得I_x=I_min且I_y=I₀；保持所述活动平台沿Y轴的正方向的倾斜角度为β_max，调节所述第一和第二测量电路，使得I_x=I₀且I_y=I_max；保持所述活动平台沿X轴的负方向的倾斜角度为β_max，调节所述第一和第二测量电路，使得I_x=I₀且I_y=I_min。

优选地，I_min=4mA，I_max=20mA，I₀=12mA。

本发明提供的平面倾斜检测装置及方法，对比于现有技术，其有益效果在于：

1）使用正交安装的两个变面积差动式电容传感器，能够测得平面在任意方向的倾斜角度和倾斜方向；

2）使用差动式电容传感器，可获得较高的倾斜检测的灵敏度；

3）差动式电容传感器中设置了多个动片和定片，可获得较大的电容量，进一步使得检测精度提高；

4）测量电路中设置了电流放大电路，通过调节电流放大电路，使得被测平面在倾斜角度最大时其输出的电流幅度为预定的最大值，从而可以最大限度地利用测量仪表的标准电流的输出幅度，也有利于测量精度和灵敏度的提高；

5）报警装置可以在倾斜角度达到或超过报警值的时候进行报警，以便于操作人员采取调整措施。

附图说明

图1为本发明的平面倾斜检测装置的优选的实施方式的结构示意图；

图2为本发明的平面倾斜检测装置的变面积差动式电容传感器的一个安装方式示意图；

图3为本发明的平面倾斜检测装置的变面积差动式电容传感器的另一个安装方式示意图；

图4为本发明的平面倾斜检测装置的优选的实施方式的变面积差动式电容传感器的结构示意图；

图5为图4中动片和定片的结构示意图；

图6为图4的变面积差动式电容传感器的工作方式示意图；

图7为本发明的平面倾斜检测装置的优选的实施方式的测量电路的结构示意图；

图8为用于校验本发明的平面倾斜检测装置的校验装置的结构示意图；

图9为被测平面的倾斜角度示意图；

图10为本发明的平面倾斜检测方法的倾斜角度计算方法的原理示意图；

图11为被测平面的倾斜方向示意图。

主要附图标记说明：

1：煤气柜活塞  2：煤气柜外壳  3：升降导轮

10：第一变面积差动式电容传感器

20：第二变面积差动式电容传感器

C1：第一电容组  C2：第二电容组

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的平面倾斜检测装置及方法作进一步的详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明的平面倾斜检测装置的优选的实施方式的结构示意图。该平面倾斜检测装置包括第一和第二变面积差动式电容传感器、分别与第一和第二变面积差动式电容传感器连接并将第一和第二变面积差动式电容传感器的电容量转换为第一和第二直流电信号输出的第一和第二测量电路、根据第一和第二直流电信号计算被测平面的倾斜角度和倾斜方向的计算单元、用于显示倾斜角度和倾斜方向的显示装置、以及当倾斜角度达到或超过预定角度时输出报警信息的报警装置。其中，计算单元可以根据后文所述的方法对倾斜角度和倾斜方向进行计算。

该平面倾斜检测装置可以不间断地检测被测平面（比如煤气柜活塞表面）的倾斜角度和倾斜方向，并实时地显示其变化动态。同时，报警装置可以及时地提供报警信息，以便于操作人员采取调整措施。

该平面倾斜检测装置使用时，第一和第二变面积差动式电容传感器固定安装于被测平面上，且第一和第二变面积差动式电容传感器的驱动轴的中线相互垂直，分别检测被测平面在两个垂直方向上的倾斜分量。使用正交安装的两个变面积差动式电容传感器，能够测得平面在任意方向的倾斜角度和倾斜方向。如图2和图3所示，当该装置应用于干式煤气柜的活塞的倾斜检测时，第一和第二变面积差动式电容传感器10、20安装于煤气柜活塞1的上表面，或者安装于与煤气柜活塞1的表面平行且联动的基板上。第一和第二变面积差动式电容传感器10、20可安装于被测平面上的任意一点，但需要保证其驱动轴的中线相互垂直。比如可以安装在被测平面的中心位置（如图2）或其他非中心位置（如图3），第一和第二变面积差动式电容传感器10、20可以互相接触（如图2）也可以不相接触（如图3）。

如图4所示，为本发明的平面倾斜检测装置的优选的实施方式的变面积差动式电容传感器的结构示意图。变面积差动式电容传感器包括壳体、固定设置于壳体内且垂直于被测平面的定片、穿过定片的上端部与定片垂直且能够相对于壳体转动的由滚珠轴承支撑的驱动轴、固定设置于驱动轴上且与定片平行的动片、以及与驱动轴由推力轴承固定连接的重力锤。其中，多个定片和动片等距离地间隔设置。如图5所示，动片为扇形极板，定片的表面相对于动片的重心线对称地设置有形状相同的第一极板和第二极板，第一极板和第二极板分别与扇形极板的不同部分构成以空气为介质的第一电容和第二电容。多个等距离间隔设置的定片和动片形成了多个并联的第一电容和第二电容，多个第一电容并联构成第一电容组，多个第二电容并联构成第二电容组。

由于本发明使用了差动式电容传感器，因此可以获得较高的倾斜检测的灵敏度。同时，差动式电容传感器中设置了多个动片和定片，可获得较大的电容量，可以进一步提高检测精度。进一步地，由于驱动轴由滚珠轴承支撑，重力锤由推力轴承固定，使得偏移响应灵活，轴向移动量小，检测精度较高。

当变面积差动式电容传感器安装到被测平面之后，当被测平面水平时，如图6(a)所示，扇形极板和第一极板的重叠面积与其和第二极板的重叠面积相等且均为初始面积，即第一电容的容量与第二电容的容量相等，从而第一电容组的容量与第二电容组的容量相等。当被测平面非水平时，如图6(b)所示，重力锤在重力的作用下始终保持竖直向下，并通过驱动轴传动使得动片的中心线始终保持竖直，此时扇形极板和第一极板的重叠面积与其和第二极板的重叠面积不相等，即第一电容的容量与第二电容的容量不相等，从而第一电容组的容量与第二电容组的容量不相等；由于动片采取等圆扇形形状，因此扇形极板和第一极板的重叠面积相对于初始面积的增加量等于扇形极板和第二极板的重叠面积相对于初始面积的减少量，即第一电容组和第二电容组的增减量相同。

图7为本发明的平面倾斜检测装置的优选的实施方式的第一或第二测量电路的结构示意图。该测量电路包括根据变面积差动式电容传感器的第一电容组C1和第二电容组C2调制方波占空比的差动脉宽调制电路、对方波进行滤波以得到直流电信号的滤波电路、以及对直流电信号进行放大以得到预定大小的直流电信号的电流放大电路。

通过调节电流放大电路，能够使得被测平面在倾斜角度为正负最大时其输出的电流幅度为预定的最大值和最小值，从而可以最大限度地利用测量仪表的标准电流的输出幅度，也有利于测量精度和灵敏度的提高。由于标准的仪表输出信号的直流电流大小为4-20mA，因此，优选地，第一和第二电流放大电路对输入直流电信号分别进行放大得到大小范围为4-20mA的两路输出直流电信号。当变面积差动式电容传感器保持在水平位置时，第一电容组C1和第二电容组C2的容量相等，输出占空比为50％的脉冲信号，经滤波和放大后输出12mA的直流电信号。当变面积差动式电容传感器分别在正、负最大倾角时，分别输出20mA和4mA的直流电信号。

为了评估本发明的平面倾斜检测装置的检测精度，可用图8所示的校验装置对平面倾斜检测装置进行校验。将第一和第二变面积差动式电容传感器正交固定安装在活动平台上，该活动平台通过固定支架和支撑支架固定在经过水平校准的固定平台上。该活动平台能够以固定支架为支点倾斜一定角度，通过角度调整螺帽调整活动平台的倾斜角度，倾斜角度值由活动平台所带的指针指示在角度刻度板上。比如对于煤气柜活塞来说，其倾斜角度最大为正负30度，因此该活动平台应该能够倾斜正负30度的角度才能满足校验需要。使用时，可以通过角度测量仪进行角度位置的标定。精密测量仪的分辨率可以达到0.0001mm，因而其精度误差可达到0.01%，通过激光蚀刻标尺加工以及安装中的误差也可达到0.1级精度，因此，按照计量法要求能满足对平面检测装置的校验检定。

校验过程中的数据记录如下：

可见，在所有的记录参数中，-30°的偏差最大，这是由于平面检测装置的传动机构所引起，可根据如下公式计算误差等级：

$\mathrm{\δ}=\frac{x_{\mathrm{MAX}}-B}{20-4}\×100\%,$

其中，x_MAX为实际最大偏差值，B为理论值。因此，本发明的平面倾斜检测装置的误差等级为：

$\mathrm{\δ}=\frac{3.95-4}{20-4}\×100\%=-0.3125,$

其中负数为负偏差，其误差大于0.2，小于0.5。根据国家的仪表精度等级规定，可满足0.5等级的精度误差。

本发明还提供了一种基于上述平面倾斜检测装置的平面倾斜检测方法，该方法包括将平面倾斜检测装置安装到被测平面之前进行的预校准过程。预校准过程也可以使用如图8所示的装置对平面倾斜检测装置，通过调整角度调整螺帽并通过角度刻度板观察，使得活动平台保持水平，调节第一和第二测量电路，使得第一直流电信号的电流大小I_x=I₀且第二直流电信号的电流大小I_y=I₀。由于第一和第二直流电信号的电流大小优选的取值范围为4-20mA，即I_min=4mA，I_max=20mA，因此，I₀的取值优选为12mA。通过调整角度调整螺帽并通过角度刻度板观察，使得活动平台沿X轴的正方向倾斜最大倾斜角度β_max=30°，调节第一和第二测量电路，使得I_x=I_max=20mA且I_y=I₀=12mA；相应地，保持活动平台沿X轴的负方向倾斜最大倾斜角度β_max=30°，调节第一和第二测量电路，使得I_x=I_min=4mA且I_y=I₀=12mA；保持活动平台沿Y轴的正方向倾斜最大倾斜角度β_max=30°，调节第一和第二测量电路，使得I_x=I₀=12mA且I_y=I_max=20mA；保持活动平台沿X轴的负方向倾斜最大倾斜角度β_max=30°，调节第一和第二测量电路，使得I_x=I₀=12mA且I_y=I_min=4mA。上述X轴为与第一变面积差动式电容传感器的驱动轴垂直的直线，Y轴为与第二变面积差动式电容传感器的驱动轴垂直的直线。

平面倾斜检测方法还包括测量平面的倾斜角度β。如图9所示，在XYZ坐标系中ABCD为水平平面，当活动平面A’BC’D’发生倾斜时与其水平平面ABCD有一个夹角β，即为平面的倾斜角度β。BC’和BA’分别为X轴方向的检测量和Y轴方向的检测量，即|I_x-I₀|和|I_y-I₀|，BD’为平面的倾斜模数z。因此，倾斜模数z的计算公式如下：

$z=\sqrt{{|I_x-I_0|}^2+{|I_y-I_0|}^2}.$

在被测平面倾斜的过程中，倾斜模数z是一个沿倾斜方向随倾斜角度变化的变量。

如图10所示，在被测平面上定义一条通过点B且垂直于被测平面的直线，其与通过点D’的竖直线的相交于点O。假设线段BO的长度为l，则有：

z=l·tanβ，

从而可以计算出被测平面的倾斜角度β：

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{\sqrt{{|I_x-I_0|}^2+{|I_y-I_0|}^2}}{l}.$

其中，l为被测平面的半径系数，是一个不随倾斜角度变化的常量。因此，实际中对l的计算方法，可以当被测平面在某一个倾斜角度时记录其倾斜角度β和此时的第一和第二直流电信号的电流大小I_x和I_y，从而通过公式计算出半径系数l。

优选地，由于在预校准过程中确定了当活动平台沿X轴或Y轴倾斜最大倾斜角度时的第一和第二直流电信号的电流大小，可直接用预校准过程中确定的值参与半径系数的计算。例如，在煤气柜活塞的倾斜检测装置的预校准过程中，当活动平台沿X轴的正方向倾斜β_max=30°时，I_x=I_max=20mA，I_y=I₀=12mA，则可根据如下公式确定半径系数l：

因此，对于煤气柜活塞平面，其半径系数为l=13.8564，实际应用中可以通过如下公式计算煤气柜活塞平面的倾斜角度β：

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{\sqrt{{|I_x-I_0|}^2+{|I_y-I_0|}^2}}{13.8564}.$

平面倾斜检测方法还包括测量平面的倾斜方向。如图11所示，倾斜方向为倾斜角度所在直线与X轴正方向的夹角α，因此，可根据如下方法计算倾斜方向：

当I_x=I₀且I_y=I₀时，被测平面无倾斜；

否则，根据如下公式计算被测平面的倾斜方向与X轴正方向的夹角α：

以上具体实施方式仅为本发明的示例性实施方式，不能用于限定本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这些修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种平面倾斜检测装置，包括固定安装于被测平面上的第一和第二变面积差动式电容传感器，所述变面积差动式电容传感器包括壳体、固定设置于所述壳体内且垂直于被测平面的定片、穿过所述定片的上端部并与所述定片垂直且能够相对于所述壳体转动的驱动轴、固定设置于所述驱动轴上且邻近于并平行于所述定片的动片、以及与所述驱动轴固定连接的重力锤，其中，

所述动片为极板，所述定片的表面设置有第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板分别与所述动片的极板的不同部分构成第一电容和第二电容；

所述第一变面积差动式电容传感器的驱动轴与第二变面积差动式电容器的驱动轴垂直。

2.根据权利要求1所述的平面倾斜检测装置，其特征在于，所述变面积差动式电容传感器包括多个间隔设置的所述动片和定片，每对所述动片和定片形成的第一电容相互并联形成第一电容组，每对所述动片和定片形成的第二电容相互并联形成第二电容组；所述驱动轴由滚珠轴承支撑，所述重力锤由推力轴承固定。

3.根据权利要求1所述的平面倾斜检测装置，其特征在于，所述动片为以所述驱动轴的轴线为圆心的扇形极板。

4.根据权利要求1或2所述的平面倾斜检测装置，其特征在于，所述平面倾斜检测装置还包括分别将所述第一和第二变面积差动式电容传感器的电容量转换为第一和第二直流电信号输出的第一和第二测量电路，所述测量电路包括根据所述第一和第二电容组调制方波占空比的差动脉宽调制电路、对所述方波进行滤波以得到直流电信号的滤波电路、以及对直流电信号进行放大以得到预定大小的直流电信号的电流放大电路。

5.根据权利要求4所述的平面倾斜检测装置，其特征在于，所述平面倾斜检测装置还包括用于计算被测平面倾斜角度和倾斜方向的计算单元。

6.根据权利要求5所述的平面倾斜检测装置，其特征在于，该装置还包括用于显示所述倾斜角度和倾斜方向的显示装置、以及当所述倾斜角度达到或超过预定角度时输出报警信息的报警装置。

7.一种平面倾斜检测方法，包括在被测平面上预设两条相互垂直的坐标轴X轴和Y轴，并在该被测平面上固定安装第一和第二变面积差动式电容传感器以使得所述第一变面积差动式电容传感器的动片能够沿所述X轴方向摆动且所述第二变面积差动式电容传感器的动片能够沿所述Y轴方向摆动，通过第一和第二测量电路分别将所述第一和第二变面积差动式电容传感器的电容量转换为第一和第二直流电信号，该方法还包括根据如下公式计算被测平面的倾斜角度β：

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{\sqrt{{|I_x-I_0|}^2+{|I_y-I_0|}^2}}{l},$

其中，I_x为所述第一直流电信号的电流大小，I_y为所述第二直流电信号的电流大小，I₀为当被测平面水平时所述直流电信号的电流大小，l为根据如下公式计算的被测平面的半径系数：

$l=\frac{z_{\max }}{\tan {\mathrm{\β}}_{\max }},$

其中，β_max为预定的被测平面的最大倾斜角度，z_max为当被测平面的倾斜角度为β_max时该平面的倾斜模数，z_max根据如下公式计算：

$z_{\max }=\sqrt{{|I_x^{\′}-I_0|}^2+{|I_y^{\′}-I_0|}^2},$

其中，I'_x和I'_y分别为当被测平面的倾斜角度为β_max时所述第一和第二直流电信号的电流大小。

8.根据权利要求7所述的平面倾斜检测方法，其特征在于，还包括根据如下方法计算被测平面的倾斜方向：

当I_x=I₀且I_y=I₀时，被测平面无倾斜；

否则，根据如下公式计算被测平面的倾斜方向与X轴正方向的夹角α：

9.根据权利要求7所述的平面倾斜检测方法，其特征在于，还包括如下预校准过程：

将所述第一和第二变面积差动式电容传感器正交安装于活动平面上，保持所述活动平台水平，调节所述第一和第二测量电路，使得I_x=I₀且I_y=I₀；

保持所述活动平台沿X轴的正方向的倾斜角度为β_max，调节所述第一和第二测量电路，使得I_x=I_max且I_y=I₀；

保持所述活动平台沿X轴的负方向的倾斜角度为β_max，调节所述第一和第二测量电路，使得I_x=I_min且I_y=I₀；

保持所述活动平台沿Y轴的正方向的倾斜角度为β_max，调节所述第一和第二测量电路，使得I_x=I₀且I_y=I_max；

保持所述活动平台沿X轴的负方向的倾斜角度为β_max，调节所述第一和第二测量电路，使得I_x=I₀且I_y=I_min。

10.根据权利要求9所述的平面倾斜检测方法，其特征在于，I_min=4mA，I_max=20mA，I₀=12mA。