CN115096264B - 一种新型全向倾角传感器及其使用方法 - Google Patents

一种新型全向倾角传感器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型全向倾角传感器及其使用方法，属于传感技术领域。本发明包括球头、支撑盘、保护支撑壳体、轻质量杆、势能质量块、永磁体、磁场感应模块、数据导出线；球头位于保护支撑壳体顶部的支撑盘中心处，可相对于支撑盘光滑转动，球头固定在轻质量杆的顶端，轻质量杆伸入支撑盘和保护支撑壳体形成的腔体内，轻质量杆的底端设有永磁体，轻质量杆上还设有势能质量块，保护支撑壳体底部内壁中心处设有磁场感应模块。本发明根据传感器中永磁体与磁场感应模块相对位置关系得出倾角
Figure 314169DEST_PATH_IMAGE001
与永磁体的磁感应强度
Figure 744013DEST_PATH_IMAGE002
的关系，通过建立的公式计算出所测倾角的大小。本发明可以实现水平面内任意方向角度的快速精确测量，结构简单，便于操作。

Description

一种新型全向倾角传感器及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种新型全向倾角传感器及其使用方法，属于传感技术领域。
背景技术
在各种建筑、机械、工程设计等领域，经常需要对某一平面进行倾角测量或水平检测，这就要求检测仪器具有较高的精度以及灵活性，满足不同情况下的检测需求。现有的角度测量传感器大多是光学传感器和电感传感器，测量精度高，但成本昂贵，工艺复杂，同时在设计上很难实现全向测量，也容易受环境影响。
霍尔元件是利用霍尔效应原理测量磁感应强度变化，具有测量精度高、响应速度快、可靠性高等多种优点，具有很好的应用前景。现有的霍尔角度传感器原理多为将倾斜角度变化转化为永磁体磁场强度变化，并利用霍尔元件测出磁场强度变化从而得到倾斜角度的大小，在结构设计上的主要问题是能否实现全向测量。如专利CN202021137558 .1公开了一种霍尔角度传感器，其中圆柱形磁钢截面左右分布为N极，上下分布为S极，当磁钢旋转时，通过霍尔元件测量磁钢磁场强度强度的变化从而得到旋转角度的大小，但只是提出了倾角的测量方法，并未得出所测角度值与磁钢磁场强度的具体换算关系。专利CN200920279504.6公开了一种霍尔倾角传感器，该传感器利用永磁体磁场强度与倾斜角度的关系得到所测角度的大小，在测量倾角时，旋转轴上的永磁体发生转动，永磁体下方霍尔元件测量出磁场强度的变化，利用角度与磁感应强度的关系式计算出所测角度的大小，但该传感器只能实现单一方向角度测量，同时当所测倾斜角度很小时，永磁体不易转动。专利CN201910986580 .9公开了一种角度检测装置及其检测方法，在磁环周围设置四个霍尔元件，当磁环旋转时，四个霍尔元件输出一组相位各异的电压信号，电压信号经过信号转化和模数转换后，进行数字处理，最后得到磁环从初始位置旋转至预设位置的角度，该传感器可以很好地实现旋转角度的测量。
本发明利用霍尔元件的优点，设计一种新型全向倾角传感器，相比于其它倾角传感器测量精度高，设计简单，操作简便，不受测量方向约束。
发明内容
本发明提供了一种新型全向倾角传感器及其使用方法，以用于解决各种倾角测量的问题。
本发明采用如下技术方案：一种新型全向倾角传感器，包括球头、支撑盘、保护支撑壳体、轻质量杆、势能质量块、永磁体、磁场感应模块、数据导出线；
所述球头位于保护支撑壳体顶部的支撑盘中心处，可相对于支撑盘光滑转动，所述球头固定在轻质量杆的顶端，所述轻质量杆伸入支撑盘和保护支撑壳体形成的腔体内，所述轻质量杆的底端设有永磁体，所述轻质量杆上还设有用于保持其铅垂的势能质量块，所述保护支撑壳体底部内壁中心处设有磁场感应模块，用于测量永磁体的磁感应强度变化，磁场感应模块测量的数据由数据导出线导出。
所述支撑盘中心开设有凹槽，位于凹槽内，实现球头在水平面内任意方向光滑转动，与球头相连的轻质量杆穿过凹槽后伸入至保护支撑壳体内。
所述支撑盘和保护支撑壳体之间为可拆卸连接。
所述势能质量块位于轻质量杆的下部。
所述势能质量块为球体形状，在其中间开孔并与轻质量杆螺纹连接。
所述磁场感应模块由霍尔元件组成，霍尔元件固定于保护支撑壳体底部中心处，霍尔元件与数据导出线相连，数据导出线伸出至保护支撑壳体外。
所述永磁体为圆柱形永磁体，其粘接在轻质量杆的底端。
一种新型全向倾角传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
A、当使用传感器测量某一平面与水平面所成倾角
Figure 573087DEST_PATH_IMAGE001
大小时，将保护支撑壳体的底 部放置于测量平面表面，保护支撑壳体内的磁场感应模块随之倾斜，势能质量块在重力作 用下使轻质量杆保持铅垂，假设磁场感应模块由P点变化到
Figure 968296DEST_PATH_IMAGE002
点，
Figure 782669DEST_PATH_IMAGE001
为所测倾角，
Figure 762388DEST_PATH_IMAGE003
为测量方 向的方位角，且,以永磁体的N极上表面中心处为坐标原点，得出磁场感应模块的坐标位置 变化与倾角
Figure 295001DEST_PATH_IMAGE001
的关系式：
D=l＋d＋h
Figure 228322DEST_PATH_IMAGE004
Figure 162780DEST_PATH_IMAGE005
Figure 687302DEST_PATH_IMAGE006
式中，
Figure 316997DEST_PATH_IMAGE007
为测量倾角
Figure 319588DEST_PATH_IMAGE001
时磁场感应模块位置变化后坐标，l为轻质量杆的长 度，d为永磁体的厚度，h为永磁体与磁场感应模块之间的距离；
B、根据等效磁荷法计算永磁体外部区域点
Figure 108553DEST_PATH_IMAGE008
的磁感应强度
Figure 538397DEST_PATH_IMAGE009
与倾角
Figure 45602DEST_PATH_IMAGE001
的关 系式：
Figure 586305DEST_PATH_IMAGE010
对于永磁体（6）N极：
Figure 354409DEST_PATH_IMAGE011
对于永磁体（6）S极：
Figure 220734DEST_PATH_IMAGE012
式中，
Figure 949656DEST_PATH_IMAGE009
为磁感应强度，
Figure 294050DEST_PATH_IMAGE013
为磁场强度，
Figure 57606DEST_PATH_IMAGE014
为永磁体N极的磁场强度，
Figure 704619DEST_PATH_IMAGE015
为永磁体S 极的磁场强度，
Figure 920837DEST_PATH_IMAGE016
为真空磁导率，
Figure 68922DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 686985DEST_PATH_IMAGE018
分别为永磁体N极和S极的源点坐 标，由于坐标轴以永磁体的上表面中心为原点建立，故
Figure 363954DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 67468DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 642412DEST_PATH_IMAGE021
为面磁荷密 度；
将磁场感应模块测得的磁感应强度B的数值代入步骤B中的公式，得到倾角
Figure 114982DEST_PATH_IMAGE001
的大 小。
本发明的工作原理是：
当倾角传感器测量物体与水平面所成角度大小时，势能质量块足够重，由于球头 可以在凹槽内光滑转动，在重力作用下轻质量杆会始终保持铅垂，永磁体在空间中的位置 保持不变，保护支撑壳体带动磁场感应模块随所测倾角发生倾斜。永磁体的磁场在空间中 均匀对称分布，通过磁场感应模块获取磁场感应强度数据，以永磁体上表面的中心为原点 建立相应的坐标系，将磁场感应模块与永磁体相对位置变化通过坐标点与倾角
Figure 494010DEST_PATH_IMAGE001
表示，根 据所建立的公式计算出不同坐标位置的倾角
Figure 419241DEST_PATH_IMAGE001
，由此可以得到水平面内任意方向的倾角 值。
本发明的有益效果是：
1、所设计的新型全向倾角测量传感器在水平面内可实现任意方向的测量，在测量倾角或者判断是否水平时具有很好的实用性。
2、可根据需要设计永磁体的尺寸调整全向倾角测量传感器的测量范围。
3、霍尔元件精度高，所设计的全向倾角测量传感器对于角度细小的变化也能测量出来。
4、结构简单，便于操作。
附图说明
图1为本发明中角度传感器的结构示意图；
图2为本发明在实际测量中的效果图；
图3为计算角度
Figure 909128DEST_PATH_IMAGE001
与永磁体的磁感应强度B的关系式的坐标系图，图（a）为倾角与磁 场感应模块的关系图，图（b）为方位角的示意图；
图4为支撑盘结构图；
图中各标号：1为球头、2为支撑盘、3为保护支撑壳体、4为轻质量杆、5为势能质量块、6为永磁体、7为磁场感应模块、8为数据导出线、9为凹槽、10为测量平面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，一种新型全向倾角传感器，包括球头1、支撑盘2、保护支撑壳体3、轻质量杆4、势能质量块5、永磁体6、磁场感应模块7、数据导出线8；
所述球头1位于保护支撑壳体3顶部的支撑盘2中心处，可相对于支撑盘2光滑转动，所述球头1固定在轻质量杆4的顶端，所述轻质量杆4伸入支撑盘2和保护支撑壳体3形成的腔体内，所述轻质量杆4的底端设有永磁体6，所述轻质量杆4上还设有用于保持其铅垂的势能质量块5，所述保护支撑壳体3底部内壁中心处设有磁场感应模块7，用于测量永磁体6的磁感应强度变化，所测量的数据由数据导出线8导出。
所述支撑盘2中心开设有凹槽9，球头1位于凹槽9内，在水平面内实现任意方向光滑转动，本传感器在水平面内可以实现任意方向的角度测量。与球头1相连的轻质量杆4穿过凹槽9后伸入至保护支撑壳体3内。
所述支撑盘2和保护支撑壳体3之间为可拆卸连接，方便更换永磁体6。
所述势能质量块5位于轻质量杆4的下部，势能质量块5为球体形状，在其中间开孔并与轻质量杆4螺纹连接，设置在轻质量杆4上的球头1、势能质量块5与永磁体6始终保持铅垂。
所述永磁体6为圆柱形永磁体，其粘接在轻质量杆4的底端，可以根据测量范围要求调整永磁体6直径大小。
所述磁场感应模块7由霍尔元件组成，霍尔元件固定于保护支撑壳体3底部中心处，霍尔元件与数据导出线8相连，数据导出线8伸出至保护支撑壳体3外。
当使用上述传感器测量某一平面与水平面所成倾角
Figure 377150DEST_PATH_IMAGE001
大小时，如图2所示，将保护 支撑壳体3的底部放置于测量平面10表面，保护支撑壳体3内的磁场感应模块7随之倾斜，磁 场感应模块7与永磁体6相对位置发生变化，势能质量块5在重力作用下使轻质量杆4保持铅 垂。
根据传感器中永磁体6与磁场感应模块7相对位置关系得出倾角
Figure 661501DEST_PATH_IMAGE001
与永磁体6的磁 感应强度
Figure 74027DEST_PATH_IMAGE009
的关系，通过建立的公式计算出所测倾角的大小，根据等效磁荷法计算永磁体6 外部区域点
Figure 367605DEST_PATH_IMAGE007
的磁感应强度
Figure 814767DEST_PATH_IMAGE009
与倾角
Figure 270019DEST_PATH_IMAGE001
的关系式：
永磁体6外部区域的磁感应强度为：
Figure 560055DEST_PATH_IMAGE022
（1）
式中，
Figure 391745DEST_PATH_IMAGE009
为磁感应强度，
Figure 693413DEST_PATH_IMAGE013
为磁场强度，
Figure 585146DEST_PATH_IMAGE016
为磁导率，
Figure 847631DEST_PATH_IMAGE014
为永磁体6的N极的磁场强 度，
Figure 483012DEST_PATH_IMAGE015
为永磁体6的S极的磁场强度。
根据永磁体6的特性，其磁场强度可以表示为一个标量的梯度：
Figure 639187DEST_PATH_IMAGE023
（2）
式中，
Figure 701821DEST_PATH_IMAGE013
为磁场强度，
Figure 576236DEST_PATH_IMAGE024
称为标量磁位。
对于均匀磁化的永磁体，只有面磁荷存在，标量磁位与面磁荷的关系：
Figure 375827DEST_PATH_IMAGE025
（3）
式中，
Figure 652087DEST_PATH_IMAGE024
称为标量磁位，
Figure 620043DEST_PATH_IMAGE016
为真空磁导率，
Figure 981755DEST_PATH_IMAGE026
为面磁荷密度。
建立图3所示的坐标系，假设磁场感应模块7由P点变化到
Figure 958938DEST_PATH_IMAGE002
点，
Figure 89705DEST_PATH_IMAGE001
为所测倾角，
Figure 369508DEST_PATH_IMAGE003
为 测量方向的方位角，且。以永磁体6的N极上表面中心处为坐标原点，得出磁场感应模块7的 坐标位置变化与倾角
Figure 952936DEST_PATH_IMAGE001
的关系式：
D=l＋d＋h
Figure 733810DEST_PATH_IMAGE027
（4）
Figure 984663DEST_PATH_IMAGE028
（5）
Figure 294421DEST_PATH_IMAGE029
（6）
式中，
Figure 489779DEST_PATH_IMAGE007
为测量倾角
Figure 808765DEST_PATH_IMAGE001
时磁场感应模块7位置变化后坐标，l为轻质量杆4的长 度，d为永磁体6的厚度，h为永磁体6与磁场感应模块7之间的距离。
把（3）、（4）、（5）、（6）式带入（2）式得：
永磁体6的N极，公式（7）：
Figure 914124DEST_PATH_IMAGE030
永磁体6的S极，公式（8）：
Figure 660364DEST_PATH_IMAGE012
式中，
Figure 359329DEST_PATH_IMAGE009
为磁感应强度，
Figure 950848DEST_PATH_IMAGE013
为磁场强度，
Figure 176293DEST_PATH_IMAGE014
为永磁体6的N极的磁场强度，
Figure 93433DEST_PATH_IMAGE015
为永磁 体6的S极的磁场强度，
Figure 873170DEST_PATH_IMAGE016
为真空磁导率，
Figure 533959DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 237079DEST_PATH_IMAGE032
分别为永磁体6N极和S极的 源点坐标，由于坐标轴以永磁体6的上表面中心为原点建立，故
Figure 325121DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 592154DEST_PATH_IMAGE034
，h为永磁 体6的厚度，
Figure 56633DEST_PATH_IMAGE026
为面磁荷密度。
由公式（7）与公式（8）得到的磁场强度带入公式（1）算出磁感应强度，在实际测量 中通过连接在磁场感应模块7上的数据导出线8可得到磁感应强度
Figure 991091DEST_PATH_IMAGE009
的大小，将其代入公式 （1）、（7）和（8）中，得到倾角
Figure 984455DEST_PATH_IMAGE001
的大小。
实施例2：本实施例中采用实施例1中所述的新型全向倾角传感器和相应的方法对倾斜面进行测量。其中如图4所示，支撑盘2为圆盘，中心开设凹槽9，与球头1配合，使球头1沿水平面内360度方向任意旋转。
保护支撑壳体3材质为工程塑料；
永磁体6与磁场感应模块7的初始距离
Figure 879730DEST_PATH_IMAGE035
为10mm；
轻质量杆4材质为铝，其尺寸参数：长度l为100mm；
球头1材质为铜，其直径为15mm；
势能质量块5材质为铜，其直径为28mm；
永磁体6的技术参数：真空磁导率
Figure 147900DEST_PATH_IMAGE036
H/m，永磁体6的厚度h为3mm；
按附图1-4及实施例1中的方式配置实验；
通过磁场感应模块7获取永磁体6外部不同位置的磁感应强度；
选用不同规格永磁体6可以得到不同的测量范围，理论计算表明，按上述方法配置实验，将各数据带入上述公式，可以实现任意方向15度的倾角测量。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种新型全向倾角传感器，其特征在于：包括球头(1)、支撑盘(2)、保护支撑壳体(3)、轻质量杆(4)、势能质量块(5)、永磁体(6)、磁场感应模块(7)、数据导出线(8)；
所述球头(1)位于保护支撑壳体(3)顶部的支撑盘(2)中心处，可相对于支撑盘(2)光滑转动，所述球头(1)固定在轻质量杆(4)的顶端，所述轻质量杆(4)伸入支撑盘(2)和保护支撑壳体(3)形成的腔体内，所述轻质量杆(4)的底端设有永磁体(6)，所述轻质量杆(4)上还设有用于保持其铅垂的势能质量块(5)，所述保护支撑壳体(3)底部内壁中心处设有磁场感应模块(7)，用于测量永磁体(6)的磁感应强度变化，磁场感应模块(7)测量的数据由数据导出线(8)导出；
所述支撑盘(2)中心开设有凹槽(9)，球头(1)位于凹槽(9)内，实现球头(1)在水平面内任意方向光滑转动，与球头(1)相连的轻质量杆(4)穿过凹槽(9)后伸入至保护支撑壳体(3)内。
2.根据权利要求1所述的一种新型全向倾角传感器，其特征在于：所述支撑盘(2)和保护支撑壳体(3)之间为可拆卸连接。
3.根据权利要求1所述的一种新型全向倾角传感器，其特征在于：所述势能质量块(5)位于轻质量杆(4)的下部。
4.根据权利要求1或3所述的一种新型全向倾角传感器，其特征在于：所述势能质量块(5)为球体形状，在其中间开孔并与轻质量杆(4)螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的一种新型全向倾角传感器，其特征在于：所述磁场感应模块(7)由霍尔元件组成，霍尔元件固定于保护支撑壳体(3)底部中心处，霍尔元件与数据导出线(8)相连，数据导出线(8)伸出至保护支撑壳体(3)外。
6.根据权利要求1所述的一种新型全向倾角传感器，其特征在于：所述永磁体(6)为圆柱形永磁体，其粘接在轻质量杆(4)的底端。
7.如权利要求1所述的一种新型全向倾角传感器的使用方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
A、当使用传感器测量某一平面与水平面所成倾角θ大小时，将保护支撑壳体(3)的底部放置于测量平面(10)表面，保护支撑壳体(3)内的磁场感应模块(7)随之倾斜，势能质量块(5)在重力作用下使轻质量杆(4)保持铅垂，假设磁场感应模块(7)由P点变化到P'点，θ为所测倾角，
Figure FDA0003873813110000021
为测量方向的方位角，且
Figure FDA0003873813110000022
以永磁体(6)的N极上表面中心处为坐标原点，得出磁场感应模块(7)的坐标位置变化与倾角θ的关系式：
D＝l+d+h
Figure FDA0003873813110000023
Figure FDA0003873813110000024
z＝Dcosθ-l
式中，(x,y,z)为测量倾角θ时磁场感应模块(7)位置变化后坐标，l为轻质量杆(4)的长度，d为永磁体(6)的厚度，h为永磁体(6)与磁场感应模块(7)之间的距离；
B、根据等效磁荷法计算永磁体(6)外部区域点P'(x,y,z)的磁感应强度B与倾角θ的关系式：
B＝μ0H＝μ0(H+-H-)
对于永磁体(6)N极：
Figure FDA0003873813110000025
对于永磁体(6)S极：
Figure FDA0003873813110000026
式中，B为磁感应强度，H为磁场强度，H+为永磁体(6)N极的磁场强度，H-为永磁体(6)S极的磁场强度，μ0为真空磁导率，(ξ，η，γ)和(δ，ε，ζ)分别为永磁体(6)N极和S极的源点坐标，由于坐标轴以永磁体(6)的上表面中心为原点建立，故γ＝0，ζ＝d，ρms为面磁荷密度；
将磁场感应模块(7)测得的磁感应强度B的数值代入步骤B中的公式，得到倾角θ的大小。
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