CN105066980A - 倾角传感器敏感头结构及其倾角获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倾角传感器敏感头结构及其倾角获取方法，该倾角传感器敏感头结构包括：铍铜振动元件，设置于敏感头结构的中间层，包括：中空的矩形铍青铜外框，凹字形铍青铜质量块，条形铍青铜弹性梁，其中，铍青铜质量块和铍青铜弹性梁均位于铍青铜外框的内部，铍青铜质量块通过铍青铜弹性梁与铍青铜外框的一条边内侧的中间位置相连接；敷铜有机板，分别设置于铍铜振动元件的上层和下层，其中，上层有机板的下表面与铍青铜质量块相对的位置以及下层有机板的上表面与铍青铜质量块相对的位置，均敷有铜层，且上层有机板和下层有机板分别与铍青铜质量块之间留有间隙。上述倾角传感器敏感头结构，稳定性好，体积小巧，并可以用于自动控制系统。

Description

倾角传感器敏感头结构及其倾角获取方法

技术领域

本发明涉及自动化领域，具体而言，涉及一种倾角传感器敏感头结构及其倾角获取方法。

背景技术

倾斜仪在地震、军事、海洋、建筑、农业及电子产品等领域有广阔的应用。

相关技术中，通常采用水银珠水平器或液体摆式倾角传感器进行倾角测量。然而上述仪器测量范围小，稳定测量时间较长，不便动态测量，不能用于自动控制系统。利用固体摆的原理研制的倾角传感器可获得到较高测量精度，但传感器体积较大和抗冲击性能差。

因此，如何设计一种稳定性好，体积小巧，并可以用于自动控制系统的倾角传感器，以及如何基于上述传感器进行测量获取倾斜角度等数据，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于公开一种倾角传感器敏感头结构及其倾角获取方法，以解决相关技术中还缺乏稳定性好，体积小巧，并可以用于自动控制系统的倾角传感器的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种倾角传感器敏感头结构。

根据本发明的倾角传感器敏感头结构包括：铍铜振动元件，设置于所述敏感头结构的中间层，包括：中空的矩形铍青铜外框，凹字形铍青铜质量块，条形铍青铜弹性梁，其中，所述铍青铜质量块和所述铍青铜弹性梁均位于所述铍青铜外框的内部，所述铍青铜质量块通过所述铍青铜弹性梁与所述铍青铜外框的一条边内侧的中间位置相连接；敷铜有机板，分别设置于所述铍铜振动元件的上层和下层，其中，上层有机板的下表面与所述铍青铜质量块相对的位置以及下层有机板的上表面与所述铍青铜质量块相对的位置，均敷有铜层，且所述上层有机板和所述下层有机板分别与所述铍青铜质量块之间留有间隙。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于倾角传感器敏感头结构的倾角获取方法。

根据本发明的倾角传感器敏感头结构的倾角获取方法包括：基于倾角传感器敏感头结构构建信号处理电路，其中，所述信号处理电路将所述敏感头结构中铍青铜质量块与敷铜有机板形成的差动电容的变化转换为电压的输出；当倾角传感器倾斜角度小于预定阈值时，测量获取所述信号处理电路的输出电压值；采用所述输出电压值以及预先确定的比例系数关系，计算得到所述振动元件的偏离中心位置角度β；采用所述偏离中心位置角度β及所述振动元件的结构参数、质量参数获取倾角传感器的倾斜角度α。

与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下优点：由于铍青铜材料弹性好，密度大，耐疲劳、适于做惯性振动元件。采用铍青铜材料作为振动元件，结合“三明治”式差动电容检测结构，设计制作的倾角传感器，稳定性好，体积小巧，并可以用于自动控制系统，并且差动电容可以消除干扰，并受温度影响不大，灵敏度高，结构制作工艺简单。

附图说明

图1是根据本发明实施例的倾角传感器敏感头结构的示意图；

图2是根据本发明优选实施例的铍铜振动元件的几何结构示意图；

图3是根据本发明优选实施例的敏感头倾斜后铍铜元件偏离角度示意图；

图4是根据本发明优选实施例的条形铍青铜弹性梁在弯矩作用下受力的示意图；以及

图5是基于本发明实施例的基于倾角传感器敏感头结构的倾角获取方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实现方式做一详细描述。

根据本发明实施例，提供了一种倾角传感器敏感头结构。

图1是根据本发明实施例的倾角传感器敏感头结构的示意图。如图1所示，该倾角传感器敏感头结构包括：铍铜振动元件10，设置于所述敏感头结构的中间层，包括：中空的矩形铍青铜外框100，凹字形铍青铜质量块101，条形铍青铜弹性梁102，其中，所述铍青铜质量块101和所述铍青铜弹性梁102均位于所述铍青铜外框的内部，所述铍青铜质量块101通过所述铍青铜弹性梁102与所述铍青铜外框的一条边内侧的中间位置相连接；敷铜有机板12，分别设置于所述铍铜振动元件的上层和下层，其中，上层有机板120的下表面与所述铍青铜质量块101相对的位置以及下层有机板121的上表面与所述铍青铜质量块101相对的位置，均敷有铜层122，且所述上层有机板和所述下层有机板分别与所述铍青铜质量块之间留有间隙。

由此可见，铍青铜质量块和上下极板间均有间隙，形成电容C1和C2，当传感器发生倾斜，导致两个电容发生相对变化，测出电容变化的大小，就可以获取倾角的大小。由于铍青铜材料弹性好，密度大，耐疲劳、适于做惯性振动元件。采用铍青铜材料作为振动元件，结合“三明治”式差动电容检测结构，设计制作的倾角传感器，稳定性好，体积小巧，并可以用于自动控制系统，并且差动电容可以消除干扰，并受温度影响不大，灵敏度高，结构制作工艺简单。

其中，所述上层有机板上敷铜层焊接有一根电极引线，所述下层有机板上敷铜层焊接有一根电极引线，所述铍铜振动元件上焊接有一根电极引线。

通过上述电极引线将上述倾角传感器敏感头结构结合其他元器件形成信号处理电路，将差动电容的变化转化为电压，根据测量得到的电压确定传感器倾角的大小。

在优选实施过程中，中间层的铍铜振动元件的铍铜质量块和左右极板间有间隙，形成电容C1和C2。对于两个平行板电容器，其电容的大小可由下式决定：

C＝εS/d

其中，S为电容的两板覆盖面积，d为两板的间距。可以看到电容大小的改变可以通过两种途径实现，面积改变和间距改变。

铍铜质量块和左右极板间形成的电容C1和C2，由于倾斜角度不同会改变铍铜质量块和左右极板间的相互覆盖面积。这样就改变了C1,C2的大小。再把这种电容的变化通过信号处理电路转换成电压，根据输出的电压确定倾角大小。

其中，在所述上层有机板与所述铍青铜外框之间，以及所述下层有机板与所述铍青铜外框之间均粘结有绝缘衬垫圈，以满足绝缘和调整振动间隙的作用。

在敷铜有机板和铍青铜外框之间粘结绝缘衬垫圈，是为了使铍青铜振动质量和敷铜有机板之间形成预定大小的间隙，优选地，所述上层有机板和所述下层有机板分别与所述铍青铜质量块之间留有的间隙均为500μm。

其中，当所述倾角传感器的倾斜角度α小于预定阈值(例如，30度)时，则倾斜角度α，与所述铍铜振动元件的偏离中心位置角度β及所述振动元件的结构参数、质量参数相关。

在优选实施过程中，如图2所示，所述凹字形铍青铜质量块101由两个凸起矩形部B、C和位于所述两个凸起矩形部下方的大矩形部A构成，所述两个凸起矩形部的间距为a₃，所述铍青铜弹性梁的长度为b₃，所述铍青铜弹性梁的厚度为h，所述大矩形部的质量为m_A，所述两个凸起矩形部的质量相等且均为m_B，所述大矩形部的中心位置至所述铍青铜弹性梁与铍青铜外框连接处的距离为；则所述倾角传感器的倾斜角度α，分别与所述β、所述a₃，所述h成增函数关系，分别与所述b₃、所述，所述m_A、以及所述m_B成减函数关系。

具体实施过程中,所述倾角传感器的倾斜角度α根据公式计算得到，其中，E为弹性模量,

以下结合图2、图3和图4对上述公式的推导过程做进一步描述。

图3是根据本发明优选实施例的敏感头倾斜后铍铜元件偏离角度示意图。如图3所示，当传感器倾斜角度为α，铍铜元件偏离中心位置角度为β，则铍铜元件相对于重垂线的偏角为α-β。

如图2所示，倾斜时铍青铜质量块对于梁根部产生的重力力矩可分为两个部分A部分、B部分和C部分，A部分产生的力矩为：

为A部分中心到弹性梁根部的距离，

B、C部分产生的力矩和为

弹性元件质量产生的力矩和为

对于条形铍青铜弹性梁，在受力矩作用下，产生弯曲，如图4所示。弯曲形成的曲率半径r为：

$r=\frac{{\mathrm{EI}}_z}{M}---\left(2\right)$

其中，E为弹性模量，I_z为惯性矩，

$I_z=\frac{{\mathrm{bh}}^3}{12}$

b为条形结构的宽度，h为厚度。

把(2)式中r代入得：

把(1)式代入(3)式中，并考虑到θ＝β，

b＝a₃得：

由于β远小于α，故

整理(4)式得：

β很小(一般5度以内)，

整理得：

例如，上述铍铜振动元件的几何结构尺寸如下：a₀＝19.69mm；a₁＝16.07mm；a₂＝13.83mm；a₃＝4.09mm；a₄＝1.78mm；b₀＝19.77mm；b₁＝16.03mm；b₂＝14.88mm；b₃＝9.06mm；b₄＝1.05mm；铍铜质量厚度h₁＝0.50mm；弹性梁厚度h₂＝0.10mm。铍铜密度ρ＝8.3×10³kg/m³。

把结构尺寸代入上式，得到：

β≈0.15α

需要说明的是，上式结果适于倾角传感器倾斜角度属于小倾角情况。对于在较大倾斜角情况下，只能通过实验测试值对传感器进行标定。

由此可见，在小倾角情况下，可以采用所述偏离中心位置角度β及所述振动元件的结构参数、质量参数获取倾角传感器的倾斜角度α。

根据本发明实施例，提供了一种基于倾角传感器敏感头结构的倾角获取方法。

图5是基于本发明实施例的基于倾角传感器敏感头结构的倾角获取方法的流程图。如图5所示，该倾角获取方法主要包括以下处理：

步骤S501：基于倾角传感器敏感头结构构建信号处理电路，其中，所述信号处理电路将所述敏感头结构中铍青铜质量块与敷铜有机板形成的差动电容的变化转换为电压的输出；

步骤S502：当倾角传感器倾斜角度小于预定阈值时，测量获取所述信号处理电路的输出电压值；

步骤S503：采用所述输出电压值以及预先确定的比例系数关系，计算得到所述振动元件的偏离中心位置角度β；

步骤S504：采用所述偏离中心位置角度β及所述振动元件的结构参数、质量参数获取倾角传感器的倾斜角度α。

上面提到的铍青铜倾角传感器敏感头结构，稳定性好，体积小巧，并可以用于自动控制系统，并且差动电容可以消除干扰，并受温度影响不大，灵敏度高，结构制作工艺简单。在倾角传感器倾斜角度属于小倾角情况时，可以基于上述倾角传感器敏感头结构构建信号处理电路，采用信号处理电路的输出电压值以及预先确定的比例系数关系，计算得到所述振动元件的偏离中心位置角度β，采用所述偏离中心位置角度β及所述振动元件的结构参数、质量参数获取倾角传感器的倾斜角度α。

优选地，步骤S503可以进一步包括以下处理：根据以下公式计算所述振动元件的偏离中心位置角度β；

U_out＝Kβ；

其中，所述K为所述预先确定的比例系数，U_out为所述信号处理电路的输出电压值。

优选地，步骤S504可以进一步包括以下处理：根据以下公式计算所述倾角传感器的倾斜角度α；

其中，所述倾角传感器敏感头结构的凹字形铍青铜质量块由两个凸起矩形部和位于所述两个凸起矩形部下方的大矩形部构成，m_A为所述大矩形部构成，所述两个凸起矩形部的质量相等且均为m_B，a₃为所述两个凸起矩形部的间距，b₃为所述铍青铜弹性梁的长度，h为所述铍青铜弹性梁的厚度，l_A为所述大矩形部的中心位置至所述铍青铜弹性梁与铍青铜外框连接处的距离，E为弹性模量，

综上所述，借助本发明提供的上述实施例，利用铍青铜材料优良的弹性特点，加工制作成振动元件，和上、下电极构成“三明治”结构，形成电容敏感式倾角传感器敏感头。将电路和敏感头结合起来，将倾角传感器敏感头结构的差动电容的变化转化为电压，由此根据测量得到的电压确定传感器倾角的大小。该倾角传感器，稳定性好，体积小巧，并可以用于自动控制系统，并且差动电容可以消除干扰，并受温度影响不大，灵敏度高，结构制作工艺简单。在倾角传感器倾斜角度属于小倾角情况时，可以基于上述倾角传感器敏感头结构构建信号处理电路，采用信号处理电路的输出电压值以及预先确定的比例系数关系，计算得到所述振动元件的倾斜角度，采用该振动元件的偏离中心位置角度及所述振动元件的结构参数、质量参数可以获取倾角传感器的倾斜角度。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种倾角传感器敏感头结构，其特征在于，包括：

铍铜振动元件，设置于所述敏感头结构的中间层，包括：中空的矩形铍青铜外框，凹字形铍青铜质量块，条形铍青铜弹性梁，其中，所述铍青铜质量块和所述铍青铜弹性梁均位于所述铍青铜外框的内部，所述铍青铜质量块通过所述铍青铜弹性梁与所述铍青铜外框的一条边内侧的中间位置相连接；

敷铜有机板，分别设置于所述铍铜振动元件的上层和下层，其中，上层有机板的下表面与所述铍青铜质量块相对的位置以及下层有机板的上表面与所述铍青铜质量块相对的位置，均敷有铜层，且所述上层有机板和所述下层有机板分别与所述铍青铜质量块之间留有间隙。

2.根据权利要求1所述的倾角传感器敏感头结构，其特征在于，

所述上层有机板上敷铜层焊接有一根电极引线，所述下层有机板上敷铜层焊接有一根电极引线，所述铍铜振动元件上焊接有一根电极引线。

3.根据权利要求1所述的倾角传感器敏感头结构，其特征在于，

在所述上层有机板与所述铍青铜外框之间，以及所述下层有机板与所述铍青铜外框之间均粘结有绝缘衬垫圈。

4.根据权利要求1所述的倾角传感器敏感头结构，其特征在于，当所述倾角传感器的倾斜角度α小于预定阈值时，

则倾斜角度α，与所述铍铜振动元件的偏离中心位置角度β及所述振动元件的结构参数、质量参数相关。

5.根据权利要求4所述的倾角传感器敏感头结构，其特征在于，所述凹字形铍青铜质量块由两个凸起矩形部和位于所述两个凸起矩形部下方的大矩形部构成，所述两个凸起矩形部的间距为a₃，所述铍青铜弹性梁的长度为b₃，所述铍青铜弹性梁的厚度为h，所述大矩形部的质量为m_A，所述两个凸起矩形部的质量相等且均为m_B，所述大矩形部的中心位置至所述铍青铜弹性梁与铍青铜外框连接处的距离为l_A；

则所述倾角传感器的倾斜角度α，分别与所述β、所述a₃，所述h成增函数关系，分别与所述b₃、所述l_A，所述m_A、以及所述m_B成减函数关系。

6.根据权利要求5所述的倾角传感器敏感头结构，其特征在于，所述倾角传感器的倾斜角度α根据公式计算得到，其中，E为弹性模量,l_B＝b₃。

7.一种基于所述权利要求1至6中任一项所述的倾角传感器敏感头结构的倾角获取方法，其特征在于，包括：

基于倾角传感器敏感头结构构建信号处理电路，其中，所述信号处理电路将所述敏感头结构中铍青铜质量块与敷铜有机板形成的差动电容的变化转换为电压的输出；

当倾角传感器倾斜角度小于预定阈值时，测量获取所述信号处理电路的输出电压值；

采用所述输出电压值以及预先确定的比例系数关系，计算得到所述振动元件的偏离中心位置角度β；

采用所述偏离中心位置角度β及所述振动元件的结构参数、质量参数获取倾角传感器的倾斜角度α。

8.根据权利要求7所述的倾角获取方法，其特征在于，采用通过测试预先确定的比例系数以及所述输出电压值，计算得到所述振动元件的偏离中心位置角度β包括：

根据以下公式计算所述振动元件的偏离中心位置角度β；

U_out＝Kβ；

其中，所述K为所述预先确定的比例系数，U_out为所述信号处理电路的输出电压值。

9.根据权利要求7所述的倾角获取方法，其特征在于，采用所述偏离中心位置角度β及所述振动元件的结构参数、质量参数获取倾角传感器的倾斜角度α包括：

根据以下公式计算所述倾角传感器的倾斜角度α；

$\mathrm{\α}=\frac{[\frac{a_3\mathrm{\πE}{h}^3}{6b_3}+(m_A{l}_A+2m_B{l}_B)g]}{(m_A{l}_A+2m_B{l}_B)g}\mathrm{\β}$

其中，所述倾角传感器敏感头结构的凹字形铍青铜质量块由两个凸起矩形部和位于所述两个凸起矩形部下方的大矩形部构成，m_A为所述大矩形部构成，所述两个凸起矩形部的质量相等且均为m_B，a₃为所述两个凸起矩形部的间距，b₃为所述铍青铜弹性梁的长度，h为所述铍青铜弹性梁的厚度，l_A为所述大矩形部的中心位置至所述铍青铜弹性梁与铍青铜外框连接处的距离，E为弹性模量，l_B＝b₃。