CN1175248C - 连续监视倾斜传感器 - Google Patents

Abstract

一个弓形电阻性传感器元件刻印在形成一个陶瓷本体的一个壁的陶瓷基片(13)上，在该陶瓷本体中密封一种电解质(12)，便利地是溶解在在甲醇、水和丁醇混合物中的硝酸银。为了避免电镀效应，把一个交流激励电压施加在传感器元件的末端之间，该传感器元件由其电阻远小于传感器元件的内阻的一个放电电阻器(30)桥接，以便消散由电压源的非对称引起的任何极化。从总是浸泡在电解质中的传感器元件(19)的中点得到一个信号输出，从而使任何漏电流的影响最小。用一个说明性实施例实现的输出相对于倾角变化的线性已经测得在倾角在-50到+50的范围内好于99.9%。

Description

连续监视倾斜传感器

技术领域

本发明涉及倾角或斜度测量，更具体地说，涉及连续监视部分填充一个封闭空间的酒精介质的角位置的变化。

背景技术

酒精水准仪是一种熟悉的仪器，其中在部分填充有液体的弯曲玻璃管内的气泡的位置指示该仪器是否水平。这种原理已经产生多种不同的实施例，如在Scopacasa的美国专利No.3,786,472中公开的一种。这里，使用一个半填充有水银的环形腔室。电极对绕腔室的边缘隔开。当腔室倾斜时在水银与不同定位的电极之间的接触对应于预定的位移角。Cantarella的专利4,167,818和Kent的专利4672753都采用当壳体倾斜时可变浸泡在一种导电液体中的弓形电阻元件。Cantarella的专利把直流或交流电位施加在电阻扇区之间，并且使用一个连接到圆形环上的桥，该圆形环总是与液体接触，以当壳体倾斜时测量由湿润扇区不同部分的液体引起的电阻变化。Beitzer的专利4536967绕玻璃管及电极的准确空隙和对称提供一个热分路，以使流体温度变化对其电阻率的影响最小。

Donati专利4937518使用亚甲基二甘醇，作为一种部分填充在一个形成在两块隔开陶瓷板之间的腔室的导电液体。每块板载有半圆段形状的一对刻印钯电极，布置成使其相应索边缘彼此面对着并且其弯曲边缘位于相同的想象圆周上。液体在电极之间形成按照液体位置变化的电阻性电气连接。

与采用流体电解质的上述器件有关的问题在于，这些器件往往具有漏电流和电镀其检测元件的缺点。因为电解质的表面吸收，漏电流在某些实施例中是可能的。漏电流引起非线性，特别是在大倾斜角度下。在为了测量由检测元件相对于液体的运动引起的电阻变化必需的激励交流电压的非对称性，可能引起检测元件的电镀，如可能偶然暴露于直流电压。检测元件相对时间的电镀把电池效应带入倾斜传感器中，并且使角度测量和比例因数的线性变坏，这种变坏在某些情况下即使在非常短的操作时段之后也能很显著。

某些先有技术器件一直采用弯曲玻璃管，以便实现对倾斜角变化的线性响应。这样的器件必须小心地构造以提供形成一个完整圆的诸部分的弓形扇区，并因此成本很高。把水银用作导电液体的这些器件因为水银反常滚动的趋势往往对角转动的小变化不敏感，并且也具有水银的高蒸汽压力污染效应的缺点。另一方面，在陶瓷而不是玻璃结构中采用常规电解质的这些器件，除电池效应之外，还具有多孔陶瓷表面表面吸收电解质的缺点，这种表面吸收产生使线性变坏的表面漏电流。

这些先有技术器件的问题按照本发明的原理在一个说明性实施例中得以减轻，其中把一个弓形电阻传感器元件刻印在形成一个陶瓷本体的一个壁的一个陶瓷基片上，在该陶瓷本体中密封一种电解质，便利的是溶解在甲醇、水和丁醇混合物中的硝酸银。为了避免电镀效应，把一个交流激励电压施加在传感器元件的末端之间，该传感器元件由其电阻远小于传感器元件的内阻的一个放电电阻器桥接，以便经一条外部路径而不是经内部电解质放电由电压源的非对称引起的任何极化。从总是浸泡在电解质中的传感器元件的中点得到一个信号输出，从而使任何漏电流的影响最小。用一个说明性实施例实现的输出相对于倾角变化的线性已经测得在倾角在-50到+50的范围内好于99.9％，比得上其线性比99％差的市场上买得到的器件。

发明内容

本发明提供了一种倾斜传感器，与激励交变电压源一起使用，具有一个部分填充电解液的密闭的环形腔室，其特征在于：a.所述密闭的环形腔室是一个能够旋转的陶瓷本体；b.一个弓形电阻性元件，布置在所述陶瓷本体中，所述弓形电阻性具有末端电极和在其中点处的第三电极，所述第三电极和所述电阻性元件的一部分浸泡在所述电解液中；所述末端电极适于连接到所述交变电压源上；及c.一个放电电阻器，连接在所述末端电极之间在所述环形腔室外侧，所述放电电阻器具有比所述弓形电阻性元件的电阻低的电阻以防止所述弓形元件由所述电解液极化，由此在所述第三电极与所述末端电极之一之间的可观察电阻的变化对于所述陶瓷本体转动的角度线性地变化。

在本发明的电气倾斜传感器中，所述弓形电阻性元件是一层厚膜。

在本发明的电气倾斜传感器中，所述厚膜刻印在所述陶瓷本体的一个壁上。

在本发明的电气倾斜传感器中，所述电解液是溶解在甲醇和丁醇混合物中的硝酸银。

当与附图一起阅读如下描述时，可以使本发明的上述和其他特征变得更明白，在附图中：

附图说明

图1表示本发明一个说明性实施例的示意图；

图2表示图1实施例的侧剖视图；

图3是用于图1的实施例的一个示范容器的等轴测图；

图4是形成图3的容器盖的基片的等轴测图，该盖在其上刻印一个厚膜电阻传感器元件和电极；

图5表示经受倾角α的图1的实施例；

图6是带有一个刻印电阻元件和适用于测量小倾角的电极的可选择

实施例的平面图；

图7是曲线图，表明本发明角度测量的非线性；

图8表示漏电流如何出现在先有技术器件中，这些器件采用部分浸泡的环形电极以与电解质保持接触；及

图9比较带有和不带有放电电阻器的输出信号相对于时间的稳定性。

具体实施方式

参照图8，表示有一种典型先有技术的倾角测量器件，该器件采用一个环形电极89，如在上述Cantarella的专利4,167,818或Kent的专利4,672,753中表示的那样。尽管当该设备倾斜时因为它的一部分总是浸泡在电解质中，所以电极89保持与电解质的连续接触，但当把激励电压施加在一个弓形电阻性元件88的末端处的终端80与81之间时，这种构造不会使漏电流的影响最小。当设备倾斜时，液体电解质通过直接接触或蒸发湿润弓形元件88的和壳体内部表面的不同部分。不幸地是，在微米范围内的表面孔隙度足以引起电解质的吸收，引起分别从电阻性元件88的未湿润部分88a和88b至环形电极89的漏电流i_L1和i_L2。液体液面85越靠近终端之一，来自靠近该终端的电阻性元件88的未湿润部分的表面漏电流越大，而来自电阻性元件88的另一个未湿润部分的漏电流越小。结果，表面漏电流引起关于倾角的电阻变化测量的非线性。并且尽管交流激励电压的使用减小直流激励电压会具有的极化效应，但大多数交流电源在正弦波的正与负半波之间显示某些非对称性。这种非对称性导致净电荷将剩余在检测元件的末端之间的可能性，特别是在激励电压已经施加较长时间之后，由此使检测元件用来自电解质的离子电镀。镀出的离子产生极化，即附加电压，这随在正在施加激励交流电压时的时间变化。结果，来自终端82的输出信号是一个包括倾斜信号和时间依赖极化的电压。这种极化，称作电池效应，使测量的线性和比例因数变坏。

描绘在图1中的设备打算减轻或消除由漏电流和由电压源非对称性产生的电镀引起的先有技术问题。图1示意表明一种倾角指示设备，该设备包括一个用来限定一个用来盛放一种电解质流体12的圆柱形空腔11的容器10(见图2和3)。电解质流体12可以是例如溶解在甲醇、水和丁醇混合物中的1％硝酸银。容器的圆柱形空腔11可以便利地形成为在诸如氧化铝10之类的致密(即低孔隙度)、稳定、非导电材料中的一个适当深度的接收器，见图3，这种材料相对于电解质流体12是惰性的。空腔11的打开端用一个平盖13密封以防电解质12的泄漏，见图2和4。空腔11的直径最好远大于空腔的深度，从而传感器对于不垂直于盖13的平面的一个轴上的倾斜不敏感。电解质流体12通过以后便利地用一种化学稳定环氧树脂密封的孔25注入。

便利地也可以是陶瓷的盖13提供一个基片，在该基片上刻印一个一般圆形的、厚膜、电阻性检测元件15。也刻印在盖13上的是终端16、17和19，终端16、17和19与电阻性元件15的左端、右端和中点接触。导体20、21和22经块10中的可密封凹口26、27和28引出，以分别提供外部电路对终端16、17和19的电气连接。一般在比烧制银电极16、17和19的温度高得多的温度下，进行把厚膜电阻器元件15刻印在一个陶瓷基片13上，并且一般首先完成。另一方面如果使用更高温度的金或铂电极，则可能希望的是在电阻性元件15之前刻印和烧制电极。电阻性元件15贯穿其中传感器操作和具有适当电阻率的范围应该是均匀、致密、化学稳定的，它提供与流体13尽可能低的接触电阻。在元件15与流体12之间的接触电阻可以通过把厚膜电阻器15中掺杂少量金属而改进，该金属是与在电解质流体12中的电荷载流子(正离子)相同的元素。便利地是，在一个说明性实施例中，如此掺杂近似3％的银。然而，厚膜电阻器15的这种掺杂显著减小其电阻率，并因此折衷是必需的。在任何情况下，高于流体12的液位的厚膜15a、15b的部分的电阻率应该远高于流体的。应该认识到，电阻器15的直径越大，传感器将越准确。

图9对比带有和不带有放电电阻器的输出的稳定性。当不使用放电电阻器时，输出有稳定的下降，而当使用放电电阻器时，显著消除极化影响，并且输出在零状态下保持恒定。

流体12部分填充圆柱空腔11至想象“赤道”线12a，由此把电阻性元件15划分成不浸泡在流体12中的部分15a和15b。图5表示图1的设备转过一个倾角α，这使“干燥部分15a’和15b’，即元件15高于流体12的液位的部分，的弧长与图1中描绘的干燥弧长不同。相对弧长从15a至15a’和从15b至15b’的变化测量倾角α。设备的最大操作倾角范围取决于在想象“赤道”12a与终端19之间的弧长或在线12与终端16或终端17之间的弧长的最短一个。

更具体地说，只要流体12的电阻远低于电阻性元件15a和15b的电阻，流体12就好象电位计的游标臂。因而，对于施加到在终端16处的交变电压Vac，见图1，在终端Vsig处出现的输出信号由下式给出：

$V_{\mathrm{sig}}=\frac{V_{\mathrm{ac}}{Z}_B}{Z_A+Z_B},---\left(1\right)$

其中V_ac是激励交流电压，Z_B是由下式给出的环形电阻器15b的阻抗：

$Z_B=Z_{B_0}+\mathrm{k\α},---\left(2\right)$

并且Z_A是由下式给出的环形电阻器15a的阻抗：

$Z_A=Z_{A_0}-\mathrm{k\α},---\left(3\right)$

其中Z_B0和Z_A0分别是在零倾角下(α＝0)环形电阻器15b和15a的阻抗；k是在一定温度下的常数，及α是倾角。结果，来自传感器的信号是：

$V_{\mathrm{sig}}=\frac{V_{\mathrm{ac}}(Z_{B_0}+\mathrm{k\α})}{Z_{A_0}+Z_{B_0}}.---\left(4\right)$

放电电阻器30放电由引起把来自电解质的离子镀出到电极上的激励电压的非对称性引起的任何极化(“电池效应”)电压。由放电电阻器30提供的放电路径是一条代替由电解质提供的内部路径的外部路径。当放电电阻器30不存在时，用于极化电极的唯一放电路径是由电解质本身在内部提供的路径，并且这种极化不仅改变输出电压，而且也可能严重损坏传感器。

图6是带有一个刻印电阻元件和适用于测量小倾角的电极的可选择实施例的平面图，其中弓形部分65和75的下端一起连接在中心终端99，它们的上端分别连接到终端66和67。

已经描述的认为是本发明原理的说明。应该注意，代之以硝酸银，可以采用碘化钾(KI)和其他电解质。另外，特别便利也可能是，把一些与在电解质的金属正离子中采用的相同金属粉未“掺杂”到厚膜电阻器中。由熟悉本专业的技术人员可以进行进一步的和其他的改进，但不脱离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种倾斜传感器，与激励交变电压源一起使用，具有一个部分填充电解液的密闭的环形腔室，其特征在于：

a.所述密闭的环形腔室是一个能够旋转的陶瓷本体；

b.一个弓形电阻性元件，布置在所述陶瓷本体中，所述弓形电阻性元件具有末端电极和在其中点处的第三电极，所述第三电极和所述弓形电阻性元件的一部分浸泡在所述电解液中；所述末端电极适于连接到所述交变电压源上；及

c.一个放电电阻器，连接在所述末端电极之间在所述环形腔室外侧，所述放电电阻器具有比所述弓形电阻性元件的电阻低的电阻以防止所述弓形电阻性元件由所述电解液极化，由此在所述第三电极与所述末端电极之一之间的可观察电阻的变化对于所述陶瓷本体转动的角度线性地变化。

2.根据权利要求1所述的倾斜传感器，其中所述弓形电阻性元件是一层厚膜。

3.根据权利要求2所述的倾斜传感器，其中所述厚膜刻印在所述陶瓷本体的一个壁上。

4.根据权利要求2所述的倾斜传感器，其中所述电解液是溶解在甲醇和丁醇混合物中的硝酸银。

5.根据权利要求1所述的倾斜传感器，其中所述激励交变电压源呈现一个输出电阻，并且其中所述放电电阻器具有高于激励交变电压源的输出电阻的电阻。

6.根据权利要求1所述的倾斜传感器，其中所述电解液是一种具有金属正离子的电解液，并且其中所述弓形电阻性元件包括一些与包含在所述电解液中的金属正离子相同的金属正离子。

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