CN107631719A - 一种基于液态金属的倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于液态金属的倾角传感器，包括：腔体、液态金属、永磁体、第一线圈、第二线圈和转换电路；腔体内充满液态金属，液态金属的密度小于永磁体的密度，液态金属中掺有超微磁性粒子，使永磁体悬浮于液态金属中；第一线圈和第二线圈缠绕在腔体两端的外侧，且第一线圈和第二线圈与转换电路连接，转换电路将电流的数值转换成角度的数值。本发明提供的倾角传感器，在倾角传感器中使用掺有超微磁性粒子的液态金属，使该液态金属具有传统的磁性液体的功能，从而让该倾角传感器具有高精度的同时，还避免了传统磁性液体由于容易发生蒸发、聚集和化学变化等原因造成的加大了制造上的难度和长期使用导致倾角传感器测量精确度下降的问题。

Description

一种基于液态金属的倾角传感器

技术领域

本发明涉及电子测量技术领域，更具体地，涉及一种基于液态金属的倾角传感器。

背景技术

倾角传感器又称作倾斜仪、测斜仪、水平仪或倾角计，经常用于测量待测面的倾角，倾角传感器从过去简单的水泡倾角传感器到现在的电子倾角传感器，是自动化和电子测量技术发展的结果。倾角传感器作为一种检测工具，它已成为桥梁架设、铁路铺设、土木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能平台和机械加工等领域不可缺少的重要测量工具。电子倾角传感器是一种非常精确的测量小角度的检测工具，可测量被测面相对于水平位置的倾斜度、两部件相互平行度和垂直度等等。

近年来，国内磁性液体传感器的研究逐渐兴起。磁性液体传感器具有良好的低频特性、高灵敏度和抗冲击等优点，得到广泛的应用，如磁性液体气压传感器、磁性液体加速度传感器、磁性液体气体流量计、磁性液体微气流速度测量仪磁性液体压力传感器等，磁性液体也被应用于倾角传感器中。

磁性液体是一种新型的功能材料，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，是由直径为纳米量级(10纳米以下)的超微磁性粒子、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种胶状液体。然而，传统的磁性液体的基载液通常是水、有机液体或者有机水溶液，导致磁性液体容易发生蒸发、聚集和一系列化学变化；一方面，由于磁性液体容易发生蒸发，在将磁性液体应用于倾角传感器时，要求对磁性液体的密封性非常高，加大了制造上的难度；另一方面，由于磁性液体容易发生聚集和化学变化，长期使用将会影响倾角传感器的测量精度。

发明内容

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种基于液态金属的倾角传感器。

根据本发明的一个方面，提供一种基于液态金属的倾角传感器，其特征在于，包括：腔体、液态金属、永磁体、第一线圈、第二线圈和转换电路；腔体内部充满液态金属，液态金属中掺有超微磁性粒子，液态金属的密度小于永磁体的密度，永磁体悬浮于液态金属中；第一线圈和第二线圈缠绕在腔体两端的外侧，且第一线圈和第二线圈与转换电路连接；转换电路用于向第一线圈和第二线圈施加电流，并将电流的数值转换成角度的数值。

其中，液态金属包括镓、镓铟合金或者镓铟锡合金。

其中，超微磁性粒子为纳米级的磁性材料，磁性材料包括铁氧体材料。

其中，腔体的材料为非磁性材料，非磁性材料包括有机玻璃或者陶瓷。

其中，永磁体的材料包括永磁合金材料或者永磁铁氧体材料。

其中，第一线圈和第二线圈由表面包裹有绝缘材料的导线绕成，导线的材料包括铜或者铝。

其中，第一线圈和第二线圈的匝数相等。

其中，第一线圈和第二线圈反相串联后，延相反的方向缠绕在腔体两端的外侧；或者，第一线圈和第二线圈顺相串联后，延相同的方向缠绕在腔体两端的外侧。

其中，腔体呈圆柱形，腔体的两端的外侧有第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽用于容纳第一线圈，第二凹槽用于容纳第二线圈。

本发明提供的一种基于液态金属的倾角传感器，包括：腔体、液态金属、永磁体、第一线圈、第二线圈和转换电路；在倾角传感器中使用掺有超微磁性粒子的液态金属，使该液态金属具有传统的磁性液体的功能，从而让该倾角传感器具有高精度的同时，还避免了传统磁性液体由于容易发生蒸发、聚集和化学变化等原因造成的加大了制造上的难度和长期使用导致倾角传感器测量精确度下降的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的基于液态金属的倾角传感器的结构图；

图2为根据本发明另一实施例的基于液态金属的倾角传感器的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的一个实施例中，参考图1，提供一种基于液态金属的倾角传感器，包括：包括：腔体11、液态金属12、永磁体13、第一线圈141、第二线圈142和转换电路15；腔体11内部充满液态金属12，液态金属12中掺有超微磁性粒子，液态金属12的密度小于永磁体13的密度，永磁体13悬浮于液态金属12中；第一线圈141和第二线圈142缠绕在腔体11两端的外侧，且第一线圈141和第二线圈142与转换电路15连接；转换电路15用于向第一线圈141和第二线圈142施加电流，并将电流的数值转换成角度的数值。

具体的，掺有超微磁性粒子的液态金属具有传统的磁性液体的功能，并且化学性质稳定，不会发生蒸发、聚集和化学变化；由于二阶浮力，永磁体可以在磁性液体中悬浮，因此，永磁体也可以在本实施例中掺有超微磁性粒子的液态金属中悬浮。

本实施例中的倾角传感器由腔体11、液态金属12、永磁体13、第一线圈141、第二线圈142和转换电路15构成，腔体11是一个密封容器，用于盛放液态金属12，液态金属12充满腔体11，且液态金属12中掺有超微磁性粒子，永磁体13悬浮于液态金属12中；腔体11两端的外侧缠绕有第一线圈141和第二线圈142，且第一线圈141和第二线圈142电连接至转换电路15。

由于二阶浮力原理是指磁性液体在磁场的作用下可以将沉浸在其中的密度比磁性液体大的永磁体悬浮起来，因此，本实施例中选用的液态金属12的密度需小于永磁体13的密度。

本实施例中的倾角传感器的工作原理为：当倾角传感器位于水平位置时，永磁体13受到重力和二阶浮力的作用而处于平衡状态，使永磁体13悬浮在液态金属12中，且永磁体13的轴线(从N极到S极的连线)处于水平状态；当倾角传感器倾斜θ角度时，永磁体13的轴线随着倾角传感器一起倾斜θ角，从而永磁体13的重力沿永磁体13的轴线方向有一分量G·sinθ(其中G是永磁体13受到的重力)；转换电路15给第一线圈141和第二线圈142施加一个电流i，使第一线圈141和第二线圈142发生电磁感应，在电流i施加的方向恰当时，第一线圈141和第二线圈142在永磁体13处的磁场力线给永磁体13一个延永磁体13的重力分量方向相反的磁场力，并当电流i的大小适当时，可以使该磁场力的大小与G·sinθ相等，从而让永磁体13重新处于平衡状态。因此，电流i的大小与G·sinθ成正比，通过电流i的大小即可计算出倾角传感器倾斜的角度的大小；在永磁体13重新达到平衡时，转换电路15检测并获取电流i，并将其转化为角度。

本实施例通过在倾角传感器中使用掺有超微磁性粒子的液态金属，使该液态金属具有传统的磁性液体的功能，从而让该倾角传感器具有高精度的同时，还避免了传统磁性液体由于容易发生蒸发、聚集和化学变化等原因造成的加大了制造上的难度和长期使用导致倾角传感器测量精确度下降的问题。

基于以上实施例，液态金属包括镓、镓铟合金或者镓铟锡合金。具有低熔点的金属有汞(熔点为-38.83℃)、镓(熔点为29.76℃)和铯(熔点为28.44℃)，其中，汞具有剧毒性；铯是是最活泼的碱金属，且价格昂贵；而镓具有低熔点，并且没有汞和铯的缺点，特别是一些镓的合金的熔点比镓的熔点更低，例如镓铟合金或者镓铟锡合金，是常温下性质稳定的液态金属。

基于以上实施例，超微磁性粒子为纳米级的磁性材料，磁性材料包括铁氧体材料。在液态金属中掺杂磁性材料，使液态金属具有磁性液体的功能的条件是掺杂的磁性材料的颗粒尺寸应小于某一临界尺寸，该临界尺寸在10nm以下；其中，磁性氧化物中的铁氧体材料化学性质稳定，容易制成粉末，适合于制作成超微磁性粒子对液态金属掺杂。

基于以上实施例，腔体的材料为非磁性材料，非磁性材料包括有机玻璃或者陶瓷。腔体用于盛放液态金属，需具有性质稳定，不能与液态金属发生化学反应，同时，还必须是非磁性材料，以保证在第一线圈和第二线圈通电后不影响在永磁体处产生的电磁场，腔体的材料优选有机玻璃或者陶瓷。

基于以上实施例，永磁体的材料包括永磁合金材料或者永磁铁氧体材料。由于永磁体的密度需大于液态金属的密度，永磁体的材料可选择永磁合金材料或者永磁铁氧体材料。

基于以上实施例，第一线圈和第二线圈由表面包裹有绝缘材料的导线绕成，导线的材料包括铜或者铝。第一线圈和第二线圈由带绝缘层的铜或者铝绕成，制作成本低。

基于以上实施例，第一线圈和第二线圈的匝数相等。第一线圈和第二线圈的匝数相等，在通电电流相等的情况下，使第一线圈和第二线圈在永磁体处产生的磁场强度相同，有利于平衡永磁体的位置，并且让转换电路施加给第一线圈和第二线圈的电流与倾角的关系尽量简化，从而可以提高测量精度。

基于上述实施例，第一线圈和第二线圈反相串联后，延相反的方向缠绕在腔体两端的外侧；或者，第一线圈和第二线圈顺相串联后，延相同的方向缠绕在腔体两端的外侧。如图1，为第一线圈和第二线圈反相串联后，延相反的方向缠绕在腔体两端的外侧，再连接至转换电路；如图2，为第一线圈和第二线圈顺相串联后，延相同的方向缠绕在腔体两端的外侧，再连接至转换电路。图1和图2中的两种连接方法，在对第一线圈和第二线圈施加电流后，均能使第一线圈和第二线圈分别产生的电磁场对永磁体具有同方向的磁场力。

基于以上实施例，腔体呈圆柱形，腔体的两端的外侧有第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽用于容纳第一线圈，第二凹槽用于容纳第二线圈。腔体的两端的外侧对称的有两个凹槽，在凹槽中缠绕第一线圈和第二线圈，有利于固定第一线圈和第二线圈的位置；腔体呈圆柱形，使得第一线圈和第二线圈中的每匝线圈都是圆形，而圆形的线圈更有利于计算磁场，在通过磁场推导出转换电路施加给第一线圈和第二线圈的电流与倾角的关系时，有利于获得更加精确的结果。

基于上述任一倾角传感器对待测面倾角的测量，包括：将倾角传感器放置于待测面上；通过转换电路向第一线圈和第二线圈施加电流；调整电流的大小使永磁体返回并保持在原来的位置；通过转换电路将电流的数值转换成角度的数值，该角度的数值即待测面的倾角的数值。更具体的为：将倾角传感器放置于待测面上，永磁体的轴线随着倾角传感器一起倾斜，永磁体的重力沿永磁体的轴向有一重力分量，使永磁体延其轴线向下运动；通过转换电路向第一线圈和第二线圈施加电流，第一线圈和第二线圈产生的电磁场施加给永磁体一个延其轴线向上的力，调整电流的数值，让永磁体返回并保持在原来的位置，即让永磁体重新处于平衡状态，通过转换电路将永磁体重新处于平衡状态时的电流的数值转换成角度的数值，该角度的数值即待测面的倾角的数值。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于液态金属的倾角传感器，其特征在于，包括：腔体、液态金属、永磁体、第一线圈、第二线圈和转换电路；所述腔体内部充满所述液态金属，所述液态金属中掺有超微磁性粒子，所述液态金属的密度小于所述永磁体的密度，所述永磁体悬浮于所述液态金属中；所述第一线圈和所述第二线圈缠绕在所述腔体两端的外侧，且所述第一线圈和所述第二线圈与所述转换电路连接；所述转换电路用于向所述第一线圈和所述第二线圈施加电流，并将所述电流的数值转换成角度的数值。

2.根据权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于，所述液态金属包括镓、镓铟合金或者镓铟锡合金。

3.根据权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于，所述超微磁性粒子为纳米级的磁性材料，所述磁性材料包括铁氧体材料。

4.根据权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于，所述腔体的材料为非磁性材料，所述非磁性材料包括有机玻璃或者陶瓷。

5.根据权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于，所述永磁体的材料包括永磁合金材料或者永磁铁氧体材料。

6.根据权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于，所述第一线圈和所述第二线圈由表面包裹有绝缘材料的导线绕成，所述导线的材料包括铜或者铝。

7.根据权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于，所述第一线圈和所述第二线圈的匝数相等。

8.根据权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于，所述第一线圈和所述第二线圈反相串联后，延相反的方向缠绕在所述腔体两端的外侧；

或者，所述第一线圈和所述第二线圈顺相串联后，延相同的方向缠绕在所述腔体两端的外侧。

9.根据权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于，所述腔体呈圆柱形，所述腔体的两端的外侧有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽用于容纳所述第一线圈，所述第二凹槽用于容纳所述第二线圈。