CN107843236A

CN107843236A - 一种磁流体倾斜角传感器

Info

Publication number: CN107843236A
Application number: CN201711012560.9A
Authority: CN
Inventors: 杨晓艳
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2018-03-27

Abstract

本发明公开了一种磁流体倾斜角传感器，该传感器包括玻璃管，圆柱形，可密封，水平放置，玻璃管内部装有磁流体；线圈，两组线圈缠绕在玻璃管的外壁上，每个线圈组中的线圈紧密排列，两组线圈组之间存在距离，其中距离玻璃管两端近的两个线圈串联连接，并在两个线圈的同名端加入交流电源；距离玻璃管中端近的两个线圈的电压差作为输出信号。本发明利用了磁流体的磁性和流动性，解决了普通倾斜角传感器触点磨损的难题，提高了传感器的使用寿命，保证精度。

Description

一种磁流体倾斜角传感器

技术领域

本发明实施例涉及传感器领域，尤其涉及一种磁流体倾斜角传感器。

背景技术

倾斜角传感器是用于测量被测对象与水平面相对角度的装置，可用于大型设备建筑物的倾斜角监视与测量，如桥梁、矿山、筑路、水坝、楼房，也可应用于山体或大地的倾斜观测。从使用条件看，倾斜角传感器大量用于操作动作频繁，露天，使用环境恶劣的场合，这就要求倾斜角传感器的使用寿命长，抗污染能力强，可靠性和稳定性高和低成本。目前常用倾斜角传感器有气泡式，差动变压器式，电容式，电感式，电位器式，磁敏电阻式，偏振片式等多种结构。这些倾斜角传感器有的结构复杂、成本较高，有的在使用寿命，测量环境，长期高精度的观测上有一定局限性。例如电位器式的倾斜角传感器一般用于较大位移量的测量，只有当倾斜角较小时，传感器的输出才与倾斜角成正比，测量的动态范围小。电感式倾斜角传感器的电感输出特性呈非线性，非线性程度随气隙相对变化而变化，因此只能工作在很小的区域。

发明内容

本发明实施例提供一种磁流体倾斜角传感器，该传感器解决了普通倾斜角传感器触点磨损的难题，提高了传感器的使用寿命，并保证精度。

本发明实施例提供了一种磁流体倾斜角传感器，包括：

玻璃管，圆柱形，可密封，水平放置，玻璃管内部装有磁流体；

线圈，两组线圈缠绕在玻璃管的外壁上，每个线圈组中的线圈紧密排列，两组线圈组之间存在距离，其中距离玻璃管两端近的两个线圈串联连接，并在两个线圈的同名端加入交流电源；距离玻璃管中端近的两个线圈的电压差作为输出信号。

其中，所述磁流体的容积为玻璃管容积的一半，使得当玻璃管倾斜角度的正切值等于玻璃管的直径与玻璃管的长度的比值时，磁流体刚好倾斜到玻璃管的对角线。

其中，所述每个线圈组的线圈个数为至少两个。

其中，所述两组线圈组中的线圈的匝数相等。

其中，所述两组线圈组到所述玻璃管两端的距离相等。

其中，所述两组线圈组之间的距离既满足测量倾斜角的范围又可观测到随倾斜角的变化线圈交链的磁流体的面积变化。

其中，所述线圈组的输出信号经相敏整流电路进行放大。

其中，放大后的模拟信号经模拟/数字转换器转换成数字信号。

本发明实施例的磁流体倾斜角传感器利用磁流体的磁性和流动性，解决了普通倾斜角传感器触点磨损的难题，提高了传感器的使用寿命，保证精度。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的磁流体倾斜角传感器的主视图；

图2是本发明实施例一提供的磁流体倾斜角传感器的左视图；

图3是本发明实施例一提供的磁流体倾斜角传感器倾斜后磁流体液面变化示意图；

图4是本发明实施例一提供的磁流体倾斜角传感器中每组线圈组中有三个线圈的主视图；

图5为本发明实施例二提供的一种磁流体倾斜角传感器的主视图；

图6为本发明实施例二提供的磁流体倾斜角传感器的左视图；

图7为本发明实施例三提供的相敏整流电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种磁流体倾斜角传感器的主视图，本实施例可适用于大型设备建筑物的倾斜角监视与测量、山体或大地的倾斜观测等场景。该磁流体倾斜角传感器具体可以包括：

玻璃管120，为圆柱形，可密封，水平放置，玻璃管内部装有磁流体130；

线圈111-114，4个线圈两两一组缠绕在玻璃管120的外壁上，每个线圈组中的线圈111和113、112和114紧密排列，两组线圈组之间存在距离，其中距离玻璃管120两端近的两个线圈111和112串联连接，并在两个线圈的同名端加入交流电源；距离玻璃管中端近的两个线圈113和114的电压差作为输出信号。

线圈111和线圈112的同名端加交流电源，产生交变磁场，磁流体在交变磁场的作用下磁化。磁流体没有磁滞现象，磁化曲线过原点，没有剩磁和矫顽力。磁流体的磁粒子浓度越高，磁化强度越大，磁流体倾斜角传感器选择低粘度、高磁化强度的磁流体。

该磁流体倾斜角传感器的工作原理：

磁流体倾斜角传感器中的线圈111和线圈112串联，外加交流电源后，产生交变磁场，线圈113和线圈114产生电压，线圈113和线圈114之间的电压差作为输出信号。四个线圈的匝数为N，内径为r1，外径为r2。当玻璃管水平放置时，输出电压为零。当玻璃管倾斜角变化为Δα角时，会引起磁流体芯部区域的变化，从而导致感应线圈中感应值的变化，则输出电压发生变化。下面结合图2和图3具体介绍工作原理。

图2为本发明实施例一的磁流体倾斜角传感器的左视图，图3为磁流体倾斜角传感器倾斜后磁流体液面变化示意图。玻璃管120的半径为r，磁流体130的液面与玻璃管120形成的弦的一半为a。玻璃管120水平放置时，磁流体130的液面高度为h，当玻璃管120发生倾斜角为α的倾斜时，如图3所示，玻璃管120的端部变化的距离为其中的l为玻璃管的长度。玻璃管120端部的面积变化为ΔS＝2aΔh＝2(r²-(r-h)²)^1/2Δh，其中的r为玻璃管的半径。线圈111和线圈112串联，外加交流电源后，产生的交变磁场的磁感应强度为其中的μ₀为真空磁导率，电流其中的R₁为线圈的电阻，L₁为线圈的电感，其值为其中的μ为线圈的磁导率。线圈中的电阻远小于电感，即R₁＜＜ωL₁，因此磁感应强度可以得出磁通量的变化为输出的电压为：

此时输出的电压Δu₂即为线圈113和线圈114之间的电压差。因此可以根据输出的电压的值确定倾斜角的大小。

本实施例的技术方案，通过利用了磁流体的磁性和流动性，在测量倾斜角时，磁流体的流动性使磁流体液面发生改变，在玻璃管端部产生面积变化，磁流体的磁性使得线圈在通入交流电时产生磁场感应出电压，从而输出电压信号进行判断倾斜角的角度。本实施例解决了普通倾斜角传感器触点磨损的难题，提高了传感器的使用寿命，保证精度。

在上述技术方案的基础上，每个线圈组的线圈个数为至少两个。如图4所示，每个线圈组的线圈个数为3个，每个线圈组中的线圈紧密排列，此时线圈111和线圈112串联连接，在两个线圈的同名端加入交流电源，线圈113和线圈114感应的电压之差作为输出电压。其工作过程与上述方案一样，这样设置的好处在于磁感应强度增大，因此在相同倾斜角的条件下，输出的电压幅值高，因此磁流体倾斜角感应器的灵敏度提高。

需要说明的是，每组线圈组的线圈个数为3个仅是本发明的一个示例，并不用于限制本发明。

在上述技术方案的基础上，两组线圈组中的线圈的匝数相等。这样设置的好处在于产生的磁场分布均匀，使得磁流体倾斜角传感器在有效面积范围内的灵敏度相等。其中的有效面积即为磁流体倾斜角传感器能够感应并产生输出信号的范围。

实施例二

图5为本发明实施例二提供的一种磁流体倾斜角传感器的主视图，图6为本发明实施例二的磁流体倾斜角传感器的左视图，在实施例一的基础上，磁流体130的容积为玻璃管120容积的一半，使得当玻璃管120倾斜角度α的正切值等于玻璃管120的直径与玻璃管120的长度l的比值时，磁流体130刚好倾斜到玻璃管120的对角线。

根据实施例一的磁流体倾斜角传感器的工作原理，此时磁流体130的液面高度h＝r，其中，线圈的内径r1和玻璃管的半径r近似相等，即r1≈r。当玻璃管120倾斜角度α的正切值时，磁流体130的液面刚好与玻璃管120的对角线重合。由输出的电压公式可知，此时的输出电压达到最大，即

对上式求对倾斜角α的偏导数，得到由公式可以看出，输出电压与倾斜角成正比，因此可根据输出电压的大小判断倾斜角的大小。

本实施例的技术方案，通过改变磁流体的容积，使磁流体倾斜角传感器的输出电压在相同倾斜角的条件下最大，增强了磁流体倾斜角传感器的灵敏度，提高了磁流体倾斜角传感器测量的倾斜角的范围。

在上述案例的基础上，两组线圈组到所述玻璃管120两端的距离相等。即线圈在玻璃管120上的位置相对玻璃管120的中端是对称的，这样设置的好处是产生的磁场在玻璃管上对称分布，使得磁流体倾斜角传感器的灵敏度分布均匀。

在上述案例的基础上，两组线圈组之间的距离既满足测量倾斜角的范围又可观测到随倾斜角的变化线圈交链的磁流体的面积变化。玻璃管120与线圈的相对位置影响输出电压的大小，因此需调整两者之间的相对位置以达到最佳输出电压。两组线圈之间的距离过近，会使随倾斜角变化的线圈交链的磁流体的面积变化不明显，两组线圈之间的距离过远，会使测量倾斜角的范围减小，因此两组线圈组之间的距离需满足上述两种情况。假设玻璃管的半径r＝18mm，长l＝142mm，体积约为36ml。当玻璃管倾斜角时，磁流体130刚好倾斜到玻璃管的对角线。设置线圈组的位置为外测距玻璃管边缘为22mm，内侧两组线圈组相距38mm。此时玻璃管倾斜到一侧线圈外部没有磁流体对应的角度由此可以看出可测量的倾斜角的范围变大。

需要说明的是，上述玻璃管的参数和对倾斜角的计算仅是本发明的一个示例，并不用于限制本发明。

本实施例的技术方案，通过设置线圈和玻璃管的相对位置，解决了输出电压的幅值和测量倾斜角的范围相矛盾的问题，达到了在保证输出电压在可观测范围内的前提下使测量的倾斜角范围最大。

实施例三

图7为相敏整流电路，在上述实施例的基础上，磁流体倾斜角传感器的输出电压低，不易检测，并且只能反映倾斜角的大小，不能确定倾斜角的方向。加入相敏整流电路后，假设玻璃管120左端向下，右端向上倾斜时，相敏整流电路的两个线圈中上面的线圈1的阻抗变大，下面的线圈2的阻抗变小，不管输入电压处于正半周期还是负半周期，输出电压Vout的幅值总是为正；而玻璃管120左端向上，右端向下倾斜时，相敏整流电路的两个线圈中上面的线圈1的阻抗变小，下面的线圈2的阻抗变大，不管输入电压处于正半周期还是负半周期，输出电压Vout的幅值总是为负。因此相敏整流电路不仅对磁流体倾斜角传感器的输出电压有放大的作用，而且能分辨倾斜的方向。

本实施例的技术方案，通过采用相敏整流电路，解决了识别倾斜角的方向问题，达到了既可以确定倾斜角的大小，又可以确定其倾斜的方向的效果。

在上述案例的基础上，放大后的模拟信号经模拟/数字转换器转换成数字信号。即经相敏整流电路放大后的输出电压Vout，经过模拟/数字转换器转换成数字信号，这样设置的好处在于形成数字信号后，经单片机进行编码后，可有数码管直接显示倾斜角的数值，可直观的得到测量结果。

上述任意实施例中的磁流体倾斜角传感器既可以用于静态测量，又可以用于动态测量。用于动态测量时，等效为加速度传感器。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种磁流体倾斜角传感器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的磁流体倾斜角传感器，其特征在于，所述磁流体的容积为玻璃管容积的一半，使得当玻璃管倾斜角度的正切值等于玻璃管的直径与玻璃管的长度的比值时，磁流体刚好倾斜到玻璃管的对角线。

3.根据权利要求1所述的磁流体倾斜角传感器，其特征在于，所述每个线圈组的线圈个数为至少两个。

4.根据权利要求1所述的磁流体倾斜角传感器，其特征在于，所述两组线圈组中的线圈的匝数相等。

5.根据权利要求1所述的磁流体倾斜角传感器，其特征在于，所述两组线圈组到所述玻璃管两端的距离相等。

6.根据权利要求1所述的磁流体倾斜角传感器，其特征在于，所述两组线圈组之间的距离既满足测量倾斜角的范围又可观测到随倾斜角的变化线圈交链的磁流体的面积变化。

7.根据权利要求1所述的磁流体倾斜角传感器，其特征在于，所述线圈组的输出信号经相敏整流电路进行放大。

8.根据权利要求7所述的磁流体倾斜角传感器，其特征在于，放大后的模拟信号经模拟/数字转换器转换成数字信号。