CN113375637B - 一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，包括圆柱形磁极对和圆柱形悬浮棒、第一激光位移感测头、第二激光位移感测头、控制器、计算机、凹槽、平板、基座、铰链、深度千分尺，第一激光位移感测头实时测量记录圆柱形悬浮棒的轴向悬浮位置，第二激光位移感测头实时测量记录平板的上升高度，得出圆柱形悬浮棒的轴向悬浮位置随上升高度变化的实验数据，得出倾角与圆柱形悬浮棒的轴向悬浮位置之间的对应关系。本发明的一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器结合抗磁悬浮圆柱棒高灵敏性与光学测量技术高精密的特点，可实现微小角度的测量；提供了驼峰型磁场，当圆柱棒倾斜在一定范围内时，无需外力作用也能保持圆柱棒稳定悬浮在圆柱形磁极对上。

Description

一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器及其测量方法

技术领域

本发明公开了一种基于抗磁悬浮原理与光学检测技术相结合的倾角传感器，属于精密仪器仪表领域。

背景技术

倾角传感器作为最为重要的角度测量单元之一，广泛应用于军用、民用等领域当中，如机器人位姿监测、车辆控制、船舶运输、航空测量、平台测试、农业机械和建筑机械等。随着人们对测量技术的简便化和精密化等需求的日益增长，各种高精密的倾角传感器逐渐被开发，引起了相关领域的高度关注。

目前的倾角测量原理主要有机械测量、电磁测量和光学测量三种方法，其中机械测量方法自动化程度较低，电磁测量方法抗电磁干扰能力较弱，相比之下光学检测技术具有快速、高精度和高灵敏度的特点，通过测量被测物体的应变计算出被测物体的倾角大小，广泛运用于高精密的测量仪器当中。

然而对于微小角度的测量而言，现存的倾角传感器几乎都无法摆脱测量单元与传感器机体本身的摩擦带来的负面影响。不仅影响倾角传感器的测量精度和分辨率的大小，还会降低倾角传感器的使用寿命，不能更好地满足超高精密仪器的使用要求。

抗磁悬浮是利用抗磁性物质的抗磁性使其在磁场中稳定悬浮的技术，最初于18世纪年发现，但由于抗磁力自身非常微弱，研究人员当时并未对抗磁悬浮进行深入的研究。直到近30年来，随着微细制造与强磁场技术的发展，抗磁悬浮相关研究及应用才开始兴起。抗磁悬浮不受Earnshaws定理的限制，可以实现常温、被动、无摩擦、静态稳定悬浮，且对悬浮物重力的变化具有较高的敏感度，在高精密及超高精密仪器角度测量中具有极大的应用前景。

在本发明之前，在微小角度的测量方面，国内的相关研究大部分侧重于改善测量原理，包括机械测量、电磁测量和光学测量，尚未发现与本专利类似的基于抗磁悬浮原理与光学检测技术相结合的倾角传感器技术。

发明内容

发明目的：本发明旨在提高微小角度的测量精度满足高精密及超高精密仪器的位姿监测的需求，提出了一种基于抗磁悬浮原理与光学检测技术相结合的倾角传感器及其测量方法。

技术方案：

一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，包括：磁悬浮机械系统与测量系统，磁悬浮机械系统包括圆柱形磁极对和圆柱形悬浮棒，圆柱形磁极对包括两个直径相同、长度相同的圆柱形磁极，两者充磁方向均为径向，呈对称布置，且磁化强度大小相等，无需外力即可自然吸合在一起，圆柱形磁极对中间区域自发产生驼峰型磁场；圆柱形悬浮棒采用抗磁性材料制作，圆柱形悬浮棒可被动稳定悬浮于两个圆柱形磁极的相邻区域的上方，圆柱形悬浮棒稳定悬浮于圆柱形悬浮棒总势能极小值点处，圆柱形悬浮棒的总势能包括圆柱形悬浮棒的磁势能及重力势能；测量系统包括第一激光位移感测头、第二激光位移感测头、控制器、计算机、凹槽、平板、基座、铰链、深度千分尺，控制器处理来自第一激光位移感测头和第二激光位移感测头测量的电信号，并将处理结果转化为数字信号输送到计算机中显示，圆柱形磁极对固定于凹槽内，凹槽固定在平板上，平板的一端与基座通过铰链的连接，平板可绕铰链转动，平板另一端置于深度千分尺上，通过调节深度千分尺可以改变平板的上升高度，同时改变平板与水平面的倾角θ，第一激光位移感测头固定于平板上，可随平板一起转动，用于测量圆柱形悬浮棒的轴向悬浮位置；第二激光位移感测头固定于基座上，用于测量平板的上升高度，倾角θ与平板相对于水平面的上升高度h两者之间的数学关系为

其中，l为铰链的中心点与深度千分尺之间的距离。

通过改变上升高度h的大小，第一激光位移感测头实时测量记录圆柱形悬浮棒的轴向悬浮位置z，第二激光位移感测头实时测量记录平板的上升高度h，得出圆柱形悬浮棒的轴向悬浮位置z随上升高度h变化的实验数据，分析实验数据得出h与z之间的对应关系：

h＝f(z) (2)

将式(2)代入式(1)中，倾角θ的模型为：

进一步地，圆柱形悬浮棒的轴向悬浮位置随圆柱形磁极对与地面的夹角的变化而变化。

进一步地，圆柱形悬浮棒的重量等于圆柱形磁极对对圆柱形悬浮棒抗磁力的大小。

进一步地，圆柱形悬浮棒的直径应与圆柱形磁极对中圆柱形磁极的直径之比小于1：4。

进一步地，圆柱形悬浮棒的长度与圆柱形磁极对的长度之比小于1：5。

一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器测量方法，包括如下步骤

步骤1、首先将圆柱形悬浮棒放置在圆柱形磁极对中间区域，待其稳定悬浮；

步骤2、调节第一激光位移感测头的竖直和水平位置，调节第一激光位移感测头的竖直位置使感测头发射出的激光束对准圆柱形悬浮棒的圆端面；调节第一激光位移感测头的水平位置使圆柱形悬浮棒的圆端面与第一激光位移感测头之间的距离在第一激光位移感测头的测量范围内，调节完毕后固定第一激光位移感测头的位置；

步骤3、调节第二激光位移感测头的竖直位置，调节第二激光位移感测头的竖直位置使平板与第二激光位移感测头之间的距离在第二激光位移感测头的测量范围内，调节完毕后固定第二激光位移感测头的位置；

步骤4、记录此时第一激光位移感测头与第二激光位移感测头的读数；

步骤5、改变平板与水平面之间的倾角，通过调节深度千分尺可改变平板的上升高度，从而改变平板与水平面之间的倾角，记录此时第一激光位移感测头与第二激光位移感测头的读数；

步骤6、继续改变平板与水平面之间的夹角直至悬浮棒不再悬浮，重复测量并记录此时第一激光位移感测头与第二激光位移感测头的读数；

步骤7、处理第一激光位移感测头与第二激光位移感测头的数据，得出圆柱形悬浮棒的轴向悬浮位置z随上升高度h变化的关系式，具体为h＝f(z)；

步骤8、圆柱形悬浮棒的轴向悬浮位置z随上升高度h变化的关系式代入倾角模型中，得出倾角模型的具体表达式，具体为：

从而实现了只需测量悬浮棒的轴向悬浮位置即可得出倾角的大小，可应用于实际微小倾角测量领域当中。

有益效果：

该发明具有以下有益效果

(1)实现了微小倾角高精度测量功能，结合抗磁悬浮圆柱棒高灵敏性与光学测量技术高精密的特点，可实现微小角度的测量。

(2)抗磁悬浮圆柱棒的抗磁悬浮力与圆柱棒重力比同圆柱棒表面积呈正相关，因此在尺度效应下，抗磁悬浮力与圆柱棒重力之比随尺度降低而增大，可实现圆柱棒的微型化。

(3)抗磁悬浮不受Earnshaws定理的限制，无需任何能量输入，即可以实现常温、被动、无摩擦、静态稳定悬浮。

(4)提供了驼峰型磁场，当圆柱棒倾斜在一定范围内时，无需外力作用也能保持圆柱棒稳定悬浮在圆柱形磁极对上。

(5)圆柱形磁极对于抗磁悬浮圆柱棒均为规则的圆柱形，结构简单，便于加工。

附图说明

图1为机械系统组成结构图；

图2为圆柱形悬浮棒径向悬浮高度示意图；

图3为驼峰型磁场变化曲线图；

图4为圆柱形悬浮棒轴向悬浮位置示意图；

图5为信号测量示意图；

图6为测量原理示意图；

图7为倾角实验数据。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，包括磁悬浮机械系统和测量系统。机械系统组成结构图如图1所示，具体包括：径向磁化的圆柱形磁极对1、采用抗磁性材料制作的圆柱形悬浮棒2。

在磁悬浮机械系统中，圆柱形磁极对1包括两个直径相同、长度相同的圆柱形磁极，两者充磁方向均为径向，且磁化强度大小相等，无需外力即可自然吸合在一起，呈对称布置。

如图2所示，在磁悬浮机械系统中，圆柱形磁极对1中间区域自发产生驼峰型磁场，如图3所示，一定悬浮高度下磁通密度沿z方向的变化曲线，圆柱形悬浮棒2可被动稳定悬浮于两个圆柱形磁极的相邻区域，即圆柱形磁极对1的中间区域，圆柱形悬浮棒2的轴向悬浮位置随圆柱形磁极对1与地面的夹角的变化而变化。

在磁悬浮机械系统中，如图4所示，圆柱形磁极对1呈对称布置，圆柱形悬浮棒2稳定悬浮于圆柱形悬浮棒2的总势能的极小值点处，其中，圆柱形悬浮棒2的总势能包括圆柱形悬浮棒2的磁势能及重力势能。

在磁悬浮机械系统中，为保证圆柱形悬浮棒2悬浮，圆柱形悬浮棒2的重量与圆柱形磁极对1对圆柱形悬浮棒2的抗磁力相抵消。当圆柱形磁极对1对圆柱形悬浮棒2的抗磁力不再抵消圆柱形悬浮棒2的重量时，石墨棒将无法悬浮。为了悬浮更重的物体，可选择磁化率更大的抗磁性物质制作的圆柱形悬浮棒2、磁场强度更强的磁极对1等。

在磁悬浮机械系统中，为避免因外界因素造成的强烈振动使圆柱形悬浮棒2与圆柱形磁极对1相接触而造成磨损，圆柱形悬浮棒2的直径应远小于圆柱形磁极对1中圆柱形磁极的直径。

在机械系统中，为增大圆柱形悬浮棒2的轴向运动范围，实现更大范围角度的测量，圆柱形悬浮棒的长度应远小于圆柱形磁极对1的长度。

圆柱形悬浮棒采用抗磁性物质热解石墨制作，其直径为1.02mm，长度为5.36mm；圆柱形磁极对采用永磁体产生磁场，两个圆柱形磁极直径均为9.5mm，长度均为25.36mm，两个圆柱形磁极充磁方向均为径向，无需外力即可粘合在一起，保持两圆柱形磁极对的圆端面平行且处于同一平面上，如图4所示两圆柱形磁极圆端面保持平行且处于同一平面上。

信号测量示意图如图5所示，具体包括：感测头、控制器5、计算机6，在信号测量系统中，其中感测头将被测物体的位移物理量转化为电信号，传输到控制器5，控制器5处理来自感测头测量的电信号，并将处理结果转化为数字信号输送到计算机6中显示。

在测量系统中，如图6所示，圆柱形磁极对1固定于凹槽7内，凹槽固定在平板8上，平板8的一端与基座9以铰链10的形式相连，其中，平板可绕铰链10转动，平板8另一端置于深度千分尺11上，通过调节深度千分尺11可以改变平板8的上升高度。感测头包括第一激光位移感测头3、第二激光位移感测头4，第一激光位移感测头3固定于平板8上，可随平板8一起转动，用于测量圆柱形悬浮棒2的轴向悬浮位置；第二激光位移感测头4固定于基座9上，用于测量平板8的上升高度；基座9还具有隔振作用。

倾角θ与上升高度h两者之间的数学关系为

式(1)中，h为平板相对于水平面的上升高度，l为铰链10的中心点与深度千分尺(11)之间的距离。

基于抗磁悬浮的圆柱形悬浮棒2对重力变化的灵敏性，即圆柱形悬浮棒2重力竖直方向上分量的微小变化会引起悬浮棒2沿圆柱形磁极对1轴向方向较大幅度的运动，圆柱形悬浮棒2会从原来的稳定悬浮位置运动至新的稳定悬浮位置。实验上，通过改变上升高度h的大小，第一激光位移感测头4实时测量记录圆柱形悬浮棒2的轴向悬浮位置z，第二激光位移感测头4实时测量记录平板8的上升高度h，得出圆柱形悬浮棒2的轴向悬浮位置z随上升高度h变化的实验数据，分析实验数据得出h与z之间的对应关系：

h＝f(z) (2)

将式(2)代入式(1)中，倾角θ的模型为：

根据所选用的激光位移传感器的型号，所对应的物体参考原点位置为距感测头30mm处，可测范围在参考原点位置-5mm～5mm之间，当物体与感测头之间的距离低于25mm或高于35mm时，激光位移传感器将无法读出物体的位置。在30mm处即0mm处激光束的直径为50μm，在25mm(即距离0mm处-5mm)和35mm(即距离0mm处5mm)处激光束的直径为250μm，激光位移传感器的分辨率为0.1μm，即当物体运动的位移小于0.1μm时，激光位移传感器无法测量出这个位移量。

一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器测量方法，其特征在于：包括如下步骤

步骤1、首先将圆柱形悬浮棒2放置在圆柱形磁极对1中间区域，待其稳定悬浮；

步骤2、调节第一激光位移感测头3的竖直和水平位置，调节第一激光位移感测头3的竖直位置使感测头发射出的激光束对准圆柱形悬浮棒2的圆端面；调节第一激光位移感测头3的水平位置使圆柱形悬浮棒2的圆端面与第一激光位移感测头3之间的距离在第一激光位移感测头3的测量范围内，调节完毕后固定第一激光位移感测头3的位置；

步骤3、调节第二激光位移感测头4的竖直位置，调节第二激光位移感测头4的竖直位置使平板8与第二激光位移感测头4之间的距离在第二激光位移感测头4的测量范围内，调节完毕后固定第二激光位移感测头4的位置；

步骤4、记录此时第一激光位移感测头3与第二激光位移感测头4的读数；

步骤5、改变平板8与水平面之间的倾角，通过调节深度千分尺11可改变平板8的上升高度，从而改变平板8与水平面之间的倾角，记录此时第一激光位移感测头3与第二激光位移感测头4的读数；

步骤6、继续改变平板8与水平面之间的夹角直至悬浮棒2不再悬浮，重复测量并记录此时第一激光位移感测头3与第二激光位移感测头4的读数；

步骤7、处理第一激光位移感测头3与第二激光位移感测头4的数据，得出圆柱形悬浮棒2的轴向悬浮位置z随上升高度h变化的关系式，具体为h＝f(z)；

步骤8、圆柱形悬浮棒2的轴向悬浮位置z随上升高度h变化的关系式代入倾角模型中，得出倾角模型的具体表达式，具体为：

如图7所示，从而实现了只需测量悬浮棒2的轴向悬浮位置即可得出倾角的大小，可应用于实际微小倾角测量领域当中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，其特征在于，包括：磁悬浮机械系统与测量系统，磁悬浮机械系统包括圆柱形磁极对(1)和圆柱形悬浮棒(2)，圆柱形磁极对(1)包括两个直径相同、长度相同的圆柱形磁极，两者充磁方向均为径向，呈对称布置，且磁化强度大小相等，无需外力即可自然吸合在一起，圆柱形磁极对(1)中间区域自发产生驼峰型磁场；圆柱形悬浮棒(2)采用抗磁性材料制作，圆柱形悬浮棒(2)可被动稳定悬浮于两个圆柱形磁极的相邻区域的上方，圆柱形悬浮棒(2)稳定悬浮于圆柱形悬浮棒(2)总势能极小值点处，圆柱形悬浮棒(2)的总势能包括圆柱形悬浮棒(2)的磁势能及重力势能；测量系统包括第一激光位移感测头(3)、第二激光位移感测头(4)、控制器(5)、计算机(6)、凹槽(7)、平板(8)、基座(9)、铰链(10)、深度千分尺(11)，控制器(5)处理来自第一激光位移感测头(3)和第二激光位移感测头(4)测量的电信号，并将处理结果转化为数字信号输送到计算机(6)中显示，圆柱形磁极对(1)固定于凹槽(7)内，凹槽(7)固定在平板(8)上，平板(8)的一端与基座(9)通过铰链(10)的连接，平板(8)可绕铰链(10)转动，平板(8)另一端置于深度千分尺(11)上，通过调节深度千分尺(11)可以改变平板(8)的上升高度，同时改变平板(8)与水平面的倾角θ，第一激光位移感测头(3)固定于平板(8)上，可随平板(8)一起转动，用于测量圆柱形悬浮棒(2)的轴向悬浮位置；第二激光位移感测头(4)固定于基座(9)上，用于测量平板(8)的上升高度，倾角θ与平板相对于水平面的上升高度h两者之间的数学关系为：

其中，l为铰链(10)的中心点与深度千分尺(11)之间的距离；

通过改变上升高度h的大小，第一激光位移感测头(3)实时测量记录圆柱形悬浮棒(2)的轴向悬浮位置z，第二激光位移感测头(4)实时测量记录平板(8)的上升高度h，得出圆柱形悬浮棒(2)的轴向悬浮位置z随上升高度h变化的实验数据，分析实验数据得出h与z之间的对应关系：

h＝f(z) (2)

将式(2)代入式(1)中，倾角θ的模型为：

2.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，其特征在于：圆柱形悬浮棒(2)的轴向悬浮位置随圆柱形磁极对(1)与地面的夹角的变化而变化。

3.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，其特征在于：圆柱形悬浮棒(2)的重量等于圆柱形磁极对对圆柱形悬浮棒(2)抗磁力的大小。

4.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，其特征在于：圆柱形悬浮棒(2)的直径应与圆柱形磁极对(1)中圆柱形磁极的直径之比小于1：4。

5.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，其特征在于：圆柱形悬浮棒(2)的长度与圆柱形磁极对(1)的长度之比小于1：5。

6.一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器测量方法，其特征在于：包括如下步骤

步骤1、首先将圆柱形悬浮棒(2)放置在圆柱形磁极对(1)中间区域，待其稳定悬浮；

步骤2、调节第一激光位移感测头(3)的竖直和水平位置，调节第一激光位移感测头(3)的竖直位置使感测头发射出的激光束对准圆柱形悬浮棒(2)的圆端面；调节第一激光位移感测头(3)的水平位置使圆柱形悬浮棒(2)的圆端面与第一激光位移感测头(3)之间的距离在第一激光位移感测头(3)的测量范围内，调节完毕后固定第一激光位移感测头(3)的位置；

步骤3、调节第二激光位移感测头(4)的竖直位置，调节第二激光位移感测头(4)的竖直位置使平板(8)与第二激光位移感测头(4)之间的距离在第二激光位移感测头(4)的测量范围内，调节完毕后固定第二激光位移感测头(4)的位置；

步骤4、记录此时第一激光位移感测头(3)与第二激光位移感测头(4)的读数；

步骤5、改变平板(8)与水平面之间的倾角，通过调节深度千分尺(11)可改变平板(8)的上升高度，从而改变平板(8)与水平面之间的倾角，记录此时第一激光位移感测头(3)与第二激光位移感测头(4)的读数；

步骤6、继续改变平板(8)与水平面之间的夹角直至悬浮棒(2)不再悬浮，重复测量并记录此时第一激光位移感测头(3)与第二激光位移感测头(4)的读数；

步骤7、处理第一激光位移感测头(3)与第二激光位移感测头(4)的数据，得出圆柱形悬浮棒(2)的轴向悬浮位置z随上升高度h变化的关系式，具体为h＝f(z)；

步骤8、圆柱形悬浮棒(2)的轴向悬浮位置z随上升高度h变化的关系式代入倾角模型中，得出倾角模型的具体表达式，具体为：

从而实现了只需测量悬浮棒(2)的轴向悬浮位置即可得出倾角的大小。

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