CN107131870A - 一种液体悬浮式倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体悬浮式倾角传感器，包括竖直设置的密封盒、浮摆和装于密封盒内的液体，定义一条竖直线l，所述液体悬浮式倾角传感器、密封盒和浮摆均相对所述竖直线l左右对称；所述浮摆为一体结构，包括浮腔和浮柄，所述浮腔的顶面为球面，且处在以O₁为球心的球面上，浮腔顶面的内侧设置有第一电极；所述密封盒包括盒顶、盒身和盒底，所述盒顶为球面，且处在以O₂为球心的球面上，所述盒顶外表面均匀设置有4个两两互不接触且相对所述竖直线1对称的电极；所述浮腔的顶面的球心O₁和所述盒顶的球心O₂在同一位置，且球O₂的半径大于球O₁的半径。本发明液体悬浮式倾角传感器精度高，反应速度快。

Description

一种液体悬浮式倾角传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种液体悬浮式倾角传感器。

背景技术

随着工业自动化检测与精确控制需求的日益增加，在许多技术领域要求精准、快速测量物体相对于水平面或垂直面的空间位置角度，即倾斜角度。比如：无人机、平衡车、机器人、手持云台、工程机械等测量，对于倾角传感器的精度要求很高，一般需要达到角分级(′)或角秒级( " )。并且对倾角传感器的反应速度也有一定要求，需要传感器运动后能很快的恢复到初始状态。传统的倾角传感器分为固体摆式倾角传感器、液体摆式倾角传感器和气体摆式倾角传感器。其中固体摆式倾角传感器由于固体单摆在摆动起来后再回复到静止状态需要很长时间，因此不适合应用在需要经常移动的物体上，比如机器人、无人机、机械臂等。液体摆式倾角传感器由于传感器移动后液体表面恢复水平状态需要很长时间，因此也不适用于需要经常移动的物体上。气体摆式倾角传感器由于气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度相对来说比较低。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种液体悬浮式倾角传感器。旨在解决现有的倾角传感器精度低、反应速度慢的问题。

本发明的技术方案如下：

一种液体悬浮式倾角传感器，其中：包括竖直设置的密封盒、竖直设置的浮摆和装于密封盒内的液体，定义一条竖直线l，所述液体悬浮式倾角传感器、密封盒和浮摆均相对所述竖直线l左右对称；

所述浮摆为一体结构，包括浮腔和浮柄，所述浮腔的顶面为球面，且处在以O₁为球心的球面上，浮腔顶面的内侧设置有第一电极；所述密封盒包括盒顶、盒身和盒底，所述盒顶为球面，且处在以O₂为球心的球面上，所述盒顶外表面均匀设置有4个两两互不接触且相对所述竖直线1对称的电极：左侧电极、右侧电极、前侧电极和后侧电极；

所述浮腔的顶面的球心O₁和所述盒顶的球心O₂在同一位置，且球O₂的半径大于球O₁的半径。

所述的液体悬浮式倾角传感器，其中，所述盒底的中心处设有一孔O，所述孔O与浮柄的底端通过软管相连接，所述浮腔的顶面的球心O₁、所述盒顶的球心O₂和所述孔O在同一位置。

所述的液体悬浮式倾角传感器，其中，所述软管为橡胶管或波纹管。

所述的液体悬浮式倾角传感器，其中，所述盒底的外侧设置有第二电极，所述第二电极通过导线与所述第一电极相连。

所述的液体悬浮式倾角传感器，其中，所述盒顶外表面的电极与浮腔顶面内侧的第一电极的材质相同，均为导体材料。

所述的液体悬浮式倾角传感器，其中，所述浮腔和所述浮柄均为空心结构。

所述的液体悬浮式倾角传感器，其中，所述液体悬浮式倾角传感器倾角的大小和方向的判断方法为：根据△C1的大小和符号判断出液体悬浮式倾角传感器在左右方向上倾角的大小和方向，根据△C2的大小和符号判断出液体悬浮式倾角传感器在前后方向上倾角的大小和方向；

其中△C1=C2-C1，△C2= C4-C3；

C1、C2、C3和C4分别为第一电极与左侧电极、右侧电极、前侧电极和后侧电极之间形成的电容值。

所述的液体悬浮式倾角传感器，其中，所述装于密封盒内的液体为水或氯化钠溶液。

有益效果：本发明提供了一种液体悬浮式倾角传感器，利用液体浮摆始终处于竖直状态的特性，通过检测出液体悬浮式倾角传感器与液体浮摆的夹角来判断传感器的倾角。与传统的固体摆式倾角传感器和液体摆式传感器其相比，本发明液体悬浮式倾角传感器有更快的反应速度，更适合用于需要经常移动的器械上，比如机器人。

附图说明

图1为本发明的一种液体悬浮式倾角传感器较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明的一种液体悬浮式倾角传感器的俯视图。

具体实施方式

本发明提供了一种液体悬浮式倾角传感器，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种液体悬浮式倾角传感器较佳实施例的结构示意图，如图1所示，包括竖直设置的密封盒1、竖直设置的浮摆2和装于密封盒内的液体3；定义一条竖直线l，所述液体悬浮式倾角传感器、密封盒1和所述浮摆2均相对所述竖直线l左右对称。

具体地，所述浮摆2为一体结构，包括浮腔21和浮柄22，所述浮摆相对所述竖直线1左右对称；所述浮腔21的顶面为球面，记该球面处在以O₁为球心的球面上，浮腔21顶面的内侧设置有第一电极23；所述浮腔21和所述浮柄22均为空心结构。所述浮腔21和所述浮柄22均为质地较硬的绝缘材料，如质地较硬的塑料。

具体地，所述密封盒1包括盒顶11、盒身12和盒底13；其中，所述盒顶11为球面，记该球面处在以O₂为球心的球面上。所述盒顶11外表面均匀设置有4个两两互不接触且相对所述竖直线1对称的电极：左侧电极14、右侧电极16、前侧电极17和后侧电极15，如图2所示。所述盒底13的中心处设有一小孔O，所述小孔O用于与浮柄22的底端相连接，所述浮腔21的顶面的球心O₁、所述盒顶11的球心O₂和所述盒底13中心处的小孔O在同一位置，且球O₂的半径大于球O₁的半径。

所述盒底13中心处的小孔O与浮柄22的底端通过一种有较好弯曲能力的软管相连接，所述软管优选橡胶管或波纹管。所述盒底的外侧设置有第二电极18，所述第二电极18通过导线4穿过浮柄22与浮腔21内的所述第一电极23相连接。

所述盒顶11外表面的电极（即左侧电极14、右侧电极16、前侧电极17和后侧电极15）与浮腔21顶面内侧的第一电极23的材质相同，均为导体材料。

所述装于密封盒内的液体为一种密度较大的液体，例如可以为水或者氯化钠溶液。可以通过增加液体的密度来增强液体悬浮式倾角传感器的反应速度，以适用于需要经常移动的器件上。

本发明所述液体悬浮式倾角传感器的工作原理：当液体悬浮式倾角传感器在竖直方向上有倾斜角度变化时，浮腔内所述第一电极与盒顶电极之间构成的电容的大小变化来反应整个传感器倾角的变化。

具体地，液体悬浮式倾角传感器竖直放置时，浮腔内所述第一电极与盒顶4个电极之间正对面积相同，因此形成的4个电容的大小也相同。当液体悬浮式倾角传感器发生倾斜时，由于浮摆始终保持竖直状态，因此浮腔内所述第一电极与盒顶4个电极之间正对面积相同会发生不同的变化，进而形成的4个电容的大小也会发生相应的变化，通过测量这些电容的大小，经过适当的计算就能得出液体悬浮式倾角传感器倾角的变化。

假如浮腔21顶面处第一电极23与盒顶11上的左侧电极14、右侧电极16、前侧电极17和后侧电极15之间形成的电容分别为C1、C2、C3和C4。当液体悬浮式倾角传感器竖直放置，在左右前后4个方向都无倾斜角时，浮摆2保持竖直向上，浮腔21的顶面与左侧电极14、右侧电极16、前侧电极17和后侧电极15的正对面积相同，因此浮腔21顶面处第一电极23与盒顶11上4个电极形成的4个电容的大小也相同，即△C1=C2-C1=0，△C2=C4-C3=0。

当液体悬浮式倾角传感器左右倾斜时，浮腔21顶面处第一电极23与盒顶11上的左侧电极14、右侧电极16的正对面积大小会发生改变，电容C1、C2的值会发生改变，假如液体悬浮式倾角传感器从右向左倾斜，则浮腔21顶面处第一电极23与盒顶11上的左侧电极14形成的电容C1会减小，浮腔21顶面处第一电极23与盒顶11上的右侧电极16形成的C2会增大，导致△C1=C2-C1正向增大；如果反向倾斜，则电容差△C1=C2-C1为负向增大。由于液体悬浮式倾角传感器的对称性结构，因此同理，当液体悬浮式倾角传感器由后向前倾斜时，△C2=C4-C3正向增大。当液体悬浮式倾角传感器由前向后倾斜时，△C2=C4-C3负向增大。

所以，根据△C1的大小和符号能判断出液体悬浮式倾角传感器在左右方向上倾角的大小和方向，根据△C2的大小和符号能判断出液体悬浮式倾角传感器在前后方向上倾角的大小和方向。把这两个方向的倾角的大小和方向综合分析，就能计算出传感器在任意方向倾角度的大小。

综上所述，本发明提供了一种液体悬浮式倾角传感器，该液体悬浮式倾角传感器利用液体浮摆始终处于竖直状态的特性，通过检测出液体悬浮式倾角传感器与液体浮摆的夹角来判断传感器的倾角。由于液体浮摆的复位时间比普通的单摆要短很多，且能通过增加密封盒内液体的密度或减小浮子的平均密度来进一步加快浮摆的恢复时间，因此与传统的固体摆式倾角传感器和液体摆式传感器其相比，液体悬浮式倾角传感器有更快的反应速度，更适合用于需要经常移动的器械上，比如机器人。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种液体悬浮式倾角传感器，其特征在于，包括竖直设置的密封盒、竖直设置的浮摆和装于密封盒内的液体，定义一条竖直线l，所述液体悬浮式倾角传感器、密封盒和浮摆均相对所述竖直线l左右对称；

所述浮摆为一体结构，包括浮腔和浮柄，所述浮腔的顶面为球面，且处在以O₁为球心的球面上，浮腔顶面的内侧设置有第一电极；

所述密封盒包括盒顶、盒身和盒底，所述盒顶为球面，且处在以O₂为球心的球面上，所述盒顶外表面均匀设置有4个两两互不接触且相对所述竖直线1对称的电极：左侧电极、右侧电极、前侧电极和后侧电极；

所述浮腔的顶面的球心O₁和所述盒顶的球心O₂在同一位置，且球O₂的半径大于球O₁的半径。

2.根据权利要求1所述的液体悬浮式倾角传感器，其特征在于，所述盒底的中心处设有一孔O，所述孔O与浮柄的底端通过软管相连接，所述浮腔的顶面的球心O₁、所述盒顶的球心O₂和所述孔O在同一位置。

3.根据权利要求2所述的液体悬浮式倾角传感器，其特征在于，所述软管为橡胶管或波纹管。

4.根据权利要求1所述的液体悬浮式倾角传感器，其特征在于，所述盒底的外侧设置有第二电极，所述第二电极通过导线与所述第一电极相连。

5.根据权利要求1所述的液体悬浮式倾角传感器，其特征在于，所述盒顶外表面的电极与浮腔顶面内侧的第一电极的材质相同，均为导体材料。

6.根据权利要求1所述的液体悬浮式倾角传感器，其特征在于，所述浮腔和所述浮柄均为空心结构。

7.根据权利要求1所述的液体悬浮式倾角传感器，其特征在于，所述液体悬浮式倾角传感器倾角的大小和方向的判断方法为：根据△C1的大小和符号判断出液体悬浮式倾角传感器在左右方向上倾角的大小和方向，根据△C2的大小和符号判断出液体悬浮式倾角传感器在前后方向上倾角的大小和方向；

其中△C1=C2-C1，△C2= C4-C3；

C1、C2、C3和C4分别为第一电极与左侧电极、右侧电极、前侧电极和后侧电极之间形成的电容值。

8.根据权利要求1所述的液体悬浮式倾角传感器，其特征在于，所述装于密封盒内的液体为水或氯化钠溶液。