CN1167909A - 单轴水平传感器 - Google Patents

Abstract

一种单轴水平传感器包括：电极保持体形成有环形壁的电极室，环形壁内周壁表面具有高三维表面粗糙度，其表面形状为通过使用具有预定半径的圆弧线围绕水平中轴线转动得的圆形表面，圆弧线以竖直线上的点作为其圆心且竖直线平分圆弧线，水平中心轴线与竖直线上的圆弧线半径垂直相交;共用电极在与竖直线相同的位置上伸入电极室而边电极从共用电极的两侧在左右对称的位置中伸到电极室中，且在水平状态下把气泡和电解液密封在电极室内。

Description

单轴水平传感器

本发明涉及一种由密封在容器内的液体和气泡构成的单轴水平传感器，该传感器可通过借助电信号检测密封气泡的位置进而确定水平度，这种传感器适用于自动矫平机和自动矫平装置以及水平测量、角规、勘测仪、测量仪、飞机、船舶、有轨车辆、汽车和其它需要高精度水平度的领域。

公知的这类单轴水平传感器包括：

1)这些结构中的一种结构如图5所示，其中把一个玻璃管g做成在一个轴向上弯曲的形状，在管子的下部中央位置上设有共用电极板h，而在与上部中央相对称的左右两个位置上设置相反的电极板i，而且要将具有大表面张力的电解液j和气泡k这样密封在玻璃管g的内部，即在能测得其角度的整个范围内使每个相反电极板i的一部分与气泡k相接触；

2)在这些结构的一种结构中，是用光学方式来检测气泡在单轴倾斜气泡管中的位置；

3)在这些结构的一种结构中，用差动变压器来检测感应平衡的变化；和

4)在这些结构的一种结构中，把与电容器尺寸相应的输出信号输入到一个计算电路中并将其转化成容器倾斜度和角度(如日本未经审查的专利申请H.3-142315)。

上述1)中的单轴水平传感器可用于倾斜角为零的水平姿态控制，但是由于电极板与电解液的接触量很小，所以不仅对重复性(重复精度、滞后等)有影响，而且还会对利用使玻璃管稍微倾斜而不是轴向测量的结构得出的结果有影响，由于传感器周围温度变化而引起的电解液膨胀和收缩以及因电解液表面张力引起的接触表面不稳定而导致的电解液和电极板接触量的变化是产生精度误差和再现性误差的原因，而且由于电解液的表面张力大而响应速度低所以会出现气泡破裂的危险现象，其结果是产生振动或类似现象，从而引起较大误差，此外，这种结构使得安装困难，所有这些原因表明，使用上述结构的传感器存在不能确保高精度的问题。

在使用上述2)中所述单轴水平传感器的情况下，传感器会受到由于温度变化而导致的气泡形状变形产生的误差以及与光学传感器有关的光学传感器误差的影响，3)和4)中的传感器也存在需要解决的问题，例如它们与外部检测装置的相关程度很高且引起误差的因素很多。

因此，本发明的目的是消除这些引起误差的原因并提供一种具有高分辨率和再现性且能进行稳定检测的单轴水平传感器，利用该传感器并借助于姿态控制能够确保得到倾斜角为零的高水平度。

为了达到上述目的和其它目的，本发明的单轴水平传感器具有这样的结构，其中设置了由绝缘材料制成的不透液体的电极保持体，保持体内是由环形壁形成的放置电解液的电极室和密封在其中的气泡，环形壁的内周壁表面具有较高的三维表面粗糙度而且是圆形表面，该表面是通过使一个预定半径的圆弧线围绕水平中轴转动而获得的，圆弧线的圆心在其中心的竖直线上而且竖直线平分该圆弧线，水平中轴线与竖直线上的圆弧线半径垂直相交，因此垂直于水平中轴线的任何截面都是圆形而且用密封端板封闭环形壁端部开口，共用电极在与竖直线相同的位置上径向伸到电极室中而边电极在相对水平中轴以共用电极为中心左右对称的位置上以比共用电极大的高度径向伸到电极室中，这些电极具有相同的表面积，电极室内密封有气泡和表面张力较小的电解液，电解液的混合比例应使得在传感器呈水平状态时电极间阻抗为预定值，密封后的状态为共用电极总是浸在电解液中并且不与气泡相接触，而当传感器为水平状态时，边电极也不与气泡相接触。

由于上述结构消除了误差原因并提高了分辨率和再现性以及检测稳定性，所以该结构是理想的，其结构特征为，使用由低电离趋向的金属材料例如18k(Au)制成的共用电极和边电极，这些通过表面抛光后具有同等的表面积，此外还使用了用作为溶剂的纯水、作为溶质的硫酸镁和作为溶液的无水甲醇或无水乙醇以使电极间阻抗为40～50kΩ的比例混合而成的电解液，这样的混合比使得电解液具有较小的表面张力、较高的沸点和较低的冰点，并使得电极室内周壁表面的表面粗糙度为JIS Rmax0.2S或更低。但是本发明并不限于这种结构。

在具有上述结构的本发明的单轴水平传感器中，在共用电极(其在倾斜角为零(完全水平状态)的状态下位于与电极室中心相连的竖直线上且处于内周壁表面圆弧线的曲线中心上同时位于通过使圆弧线围绕水平中心线转动而形成的弯曲表面之下)和处于其左右的边电极中，共用电极总是浸在电解液中并且不与气泡相接触，而且当处于水平状态时，边电极也总是浸在具有较小表面张力且以使电极间阻抗为预定值的比例混合而成的电解液中，同时不与电解液中的气泡相接触，当由于存在倾斜角而使气泡沿形成电极室内表面的弯曲表面移动时，电极间阻抗随气泡位置的变化而改变，这种变化可以直接转换为电信号并作为模拟角度信息信号输出，在此基础上可以控制马达或类似的驱动器使模拟信号为零，因此，使用该传感器能够精确地得到倾斜角为零的高水平度。

特别是，由于把电极室的内壁做成其内周壁表面为高三维表面粗糙度的环形壁而且其表面是通过使具有预定并径的圆弧线绕水平中轴线转动而得到的圆形表面，其中圆弧线的圆点是其中心竖直线上的一个点，该竖直线平分圆弧线，而且水平中轴线与竖直线垂直相交，因此垂直于水平中轴线的任何截面都是圆形，所以相对于测量的倾斜度而不是单轴水平度而言，消除了测量误差，而且由于共用电极总是浸在电解液中且不与气泡相接触和在水平状态下边电极也不与气泡相接触，因此可三维检测因气泡位置移动而形成的电极间阻抗的变化并得到较大的角度信息输出且极大地减小了由于周围温度变化引起电解液膨胀、收缩以及表面张力等物理变化而导致的输出波动误差，从而能够确保极高的精度和再现性。

图1是按照本发明优选实施例所述单轴水平传感器纵向上的竖直剖面图；

图2是沿图1中的A-A线取下的剖面图；

图3是单轴水平传感器的侧面图；

图4与按照本发明优选实施例所述单轴水平传感器一起使用的传感器电路的电路图；和

图5是表示传统单轴水平传感器一个实例的剖面图。

图1是按照本发明优选实施例所述单轴水平传感器S的纵向竖直剖面图，图2是沿图1中线A-A取下的单轴水平传感器S的剖面图，图3是单轴水平传感器S的侧面图。单轴水平传感器S由电极保持体1，共用电极2，两个边电极3和密封在电极保持体1内部的电解液4和气泡5构成。

电极保持体1包括形成电极室的主体12，主体12是由绝缘材料聚碳酸酯制成的截面基本上为八面体的管形件，保持体1的两端形成电极室11的开口和用聚碳酸酯制成的两个密封端板13a，13b。

形成电极室的主体12内的电极室内壁表面是圆形表面，该表面是通过使大半径100mm圆弧线AL围绕水平中轴线H转动得到的，圆弧线AL的竖直线V上的点P为圆心，竖直线V穿过圆弧线AL的中心且平分圆弧线，中心轴线H与竖直线V上的圆弧线AL的半径垂直相交，因此，如侧视图图3中的虚线所示，在垂直于水平中轴线的任何截面上电极室11都是圆形的(最大部分的直径为6mm)，而且该内壁表面的三维表面粗糙度是JIS Rmax0.2S或更小，在两个端口上形成可安装不透液密封端板13a，13b的平头孔14。

在竖直线V穿过的位置上和以竖直线为中心左右对称且低于水平中心轴线H的位置上分别在形成电极室的主体12上设置共用电极固定孔15和边电极固定固定16，固定孔穿过水平底表面B与电极室11径向连通，底表面B与包含水平中轴线H的水平面相平行并且作为八面体表面中的一个面，这样便提高了它的水平精度。

把用聚碳酸酯制成的两个密封端板13a，13b固定在形成电极室的主体12上的密封平头孔14中，在端板13a上穿通地设置了用于注入电解液4和气泡5的注入孔17，在注入电解液4和气泡5之后把塞子18装入注入孔17并通过焊接或类似方式对其进行不透液式密封。

共用电极2和两个边电极3的直径均是0.6mm，而且都用具有低电离倾向的金属材料18K(Au)制成，它们的表面要进行抛光处理；共用电极2伸到电极室11中的长度为其总是浸在电解液4中但不与密封在电解液4中的气泡5接触，而边电极3伸出的长度为它们要尽可能地靠近电极室11直径方向上的内径表面，把这些电极分别竖直固定在穿过形成电极室的主体12的水平底表面B设置的共用电极固定孔15和边电极固定孔16中，这些电极的另一端部从水平底面B中伸出。

表面张力小、沸点高和冰点低的电解液4是用纯净水作为溶剂、  硫酸镁作为溶质和无水甲醇或无水乙醇作为溶液以电极间的阻抗为40-50KΩ的比例混合而成的；密封在电极室内的电解液的量应使得共用电极2总是浸在其中但不与密封的气泡5相接触，气泡5要求的空气量应使得在水平状态下边电极3不与气泡相接触；电解液和气泡都是通过注入孔17注入的，而且在它们注入之后用密封塞18对注入孔17进行不透液式密封。

作为把上述优选实施例中单轴水平传感器S的气泡5的位置直接转换成电信号的装置可以使用例如如图4中所示的传感器电路结构，其包括用振荡器OSC从交流电中产生预定4 KH z基本脉冲的装置，用分频器F/F把基本脉冲按50％的效率分成2KHz，利用两个反相脉冲的缓冲放大器SP1和缓冲放大器SP2把该脉冲加到本发明所述单轴水平传感器S的边电极3上，并从中得到信息，把从共用电极2上得到的信号送到信号放大电路AMP1，根据可变电阻VR1并通过具有零点漂移修正作用的放大电路AMP2把AMP1的输出信号送到模拟开关MP，同时把来自分频器F/F的同步信号送到模拟开关，通过采样和保持电路SH1把在模拟开关中同步的模拟信号送到放大器AMP3中，并从该放大器AMP3输出与倾斜度相对应的预定模拟信号。但是本发明并不限于此，很显然可以用公知的转换装置来代替本发明的转换装置。

使用时可以把本发明的单轴水平传感器固定到需要水平安装的设备或装置的平坦表面上，并利用与传统方法相同的机械控制装置，例如根据用信号转换器转换的数字信号或驱动调节倾斜度的马达并且把马达的转动转换成线性运动，以此来改变传感器安装表面的倾斜度和对其进行控制从而使得模拟信号变为零。如果使用两个相互垂直交叉设置的本发明的单轴水平传感器，还能够得到用双轴传感器测得的水平度。

在具有上述结构的本发明的单轴水平传感器中，由于在共用电极[其在倾斜角为零(完全水平状态)]的情况下，位于与电极室中心相连的竖直线和圆弧线弯曲中心上以及位于由圆弧线围绕水平中轴转动而形成的圆形表面的弯曲表面之下)和处于共用电极左右的边电极之间，共用电极总是浸在电解液中并且不与气泡相接触，而在水平状态下不与气泡相接触的边电极也总是浸在电解液中，所述电解液的表面张力很小且以使电极间的阻抗为预定值的比例混合而成，当气泡沿形成电极室内表面的弯曲而移动时，由于存在倾斜，而使电极间阻抗随气泡的位置发生变化，该变化可直接转换成电信号并作为模拟角度信息信号输出，机械控制装置可利用该模拟信号，在水平控制的基础上调整模拟信号使倾斜角度为零(完全水平状态)并得到倾斜角度为零的高精度水平度。

特别是，由于把电极室的内壁做成环形壁，该环形壁的内周壁表面具有较高的三维表面粗糙度而且该表面是通过使一个具有预定半径的圆弧线绕水平中轴转动而获得的圆形表面，所说预定半径的圆心是竖直线上的一个点，该竖直线位于圆弧线的中心并平分圆弧线，水平中轴线与竖直线垂直相交，因此垂直于水平中轴的任何截面都是圆形，而且由于测量的是倾斜度而不是单轴水平度，所以可消除测量误差，此外因为共用电极总是浸在电解液中而且不与气泡相接触，同时在水平状态下边电极也不与气泡相接触，所以能够立体地测出因气泡位置移动而引起的电极间阻抗的变化而且可获得较高的角度信息输出。

由于电解液是通过把作为溶剂的纯净水，作为溶质的硫酸镁和作为溶液的无水甲醇或无水乙醇以使电极间阻抗达到40-50KΩ的比例混合制成的，这样使所使用的电解液具有小的表面张力、高沸点和低冰点且使电极室内表面具有较高的三维表面粗糙度，由此极大地减小了因周围温度变化而引起的电解液膨胀、收缩和表面张力等物理变化所导致的输出波动误差，从而能够确保高精度和高再现性，而且能够使装有该传感器的目标装置的姿态处于倾斜角为零(完全水平)的高精度状态。

因此，可以提供一种价格合理的单轴水平传感器，该传感器理想地适用于自动矫平机和矫平装置，以及水平装置、角度规、勘测仪、测量仪、飞机、船舶、有轨车辆、汽车和其它需要高精度水平度的场合。

Claims (5)

1.一种单轴水平传感器包括：

由绝缘材料制成的电极保持体和由环形壁构成的电极室，电极室内密封有电解液和气泡，环形壁的内周壁表面具有较高的三维表面粗糙度而且其表面为通过使具有预定半径的圆弧线绕水平中轴线转动而得到的圆形表面，圆弧线的圆点位于其中心的竖直线上，且该竖直线平分圆弧线，水平中轴线与竖直线上的圆弧线半径垂直相交，所以垂直于水平中轴线的截面均为圆形，而且密封端极封闭环形壁的端部开口；和

共用电极在与竖直线相同的位置上径向伸入电极室而边电极在以共用电极为中心沿水平中轴线左右对称的位置上以比共用电极更大的高度径向伸入电极室，这些电极以相等表面积分别从外部不透液地进入电极保持体，

其中当传感器处于水平状态时将气泡和表面张力较小且以使电极间阻抗为预定值的比例混合而成的电解液以这样的状态密封在电极室内，即使得共用电极总是浸在电解液中并且不与气泡相接触而且当传感器处于水平状态时，边电极也不与气泡相接触。

2.根据权利要求1所述的单轴水平传感器，其中共用电极和边电极都是用具有低电离倾向的金属材料例如18k(Au)制成的而且通过表面抛光使其表面积相等。

3.根据权利要求1或2所述的单轴水平传感器，其中电解液是以使电极间阻抗为40～50KΩ的比例通过混合作为溶剂的纯净水、作为溶质的硫酸镁和作为溶液的无水甲醇或无水乙醇制成的，因此提高了电解液的沸点并降低了冰点。

4.根据权利要求1、2或3所述的单轴水平传感器，其中电极室内周壁表面的表面粗糙度是JIS Rmax0.2S或更低。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的单轴水平传感器，进一步包括借助于振荡器用交流电产生预定基础脉冲的装置，和将该脉冲分为50％效率脉冲的分频器，利用缓冲放大器和反相脉冲放大器把该脉冲加到边电极上并从中得到信息，把来自共用电极的信号送到放大电路，该放大电路的输出经过具有零点漂移修正功能的两个放大电路送到模拟开关并把来自分频器的同步信号送到模拟开关，通过采样和保持电路把在模拟开关中同步的模拟信号送到另一个放大器中，最后从该放大器输出与传感器倾斜度相应的预定模拟信号。