CN2219485Y - 气泡电容式水平度传感器 - Google Patents

Abstract

用于检测物体水平度的气泡电容式水平度传感器装置。该传感器利用液体在重力作用下自动水平和差动电容器的原理，在密闭的以绝缘材料制成的容器中充注导电液体，并留有空气形成一个气泡，容器外表面有数个电容极板和与导电液体接触的电极引线作为静片和动片，以容器壁壳和气泡为介电物质形成一组电容量随水平度差动变化的多联差动电容器。可将物体水平度的改变转换为传感器电参量的改变，为物体水平度的检测和自动控制提供了新的传感器装置。

Description

气泡电容式水平度传感器

本实用新型涉及一种对物体水平度敏感的气泡电容式水平度传感器装置。

检测物体的水平状态是测量和控制工程中常见的工作内容，实际中使用最多的是管形或圆形气泡式水准器，因为其具有使用方便、成本低廉等特点，可以满足中等精度要求的应用。但是，气泡式水准器依赖于操作者的目视判读，容易产生观察误差，又因不能直接示值，所以无法应用在自动控制系统中。

本实用新型的目的是要提供一种气泡电容式水平度传感器，其能够自动地将被测物体的水平度变化转换为传感器输出端的以电容量变化为形式的输出信号，为测量和控制水平度的自动控制工程提供一种新型的传感器装置。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：在一密闭的绝缘容器中充注着占大部分容积的一种导电性良好的液体，并留有一定容积的空气形成一个气泡。导电液体中安置有电极引线，电极引线在容器内的一端始终和导电液体保持接触，而通至容器外的一端作为传感器的一公共端点，使导电液体成为一个随水平度变化而变化的电容器动片。在容器外壳表面的适当位置上安置了数个间隔均匀对称排列的电容极板，各电容极板的形状相同，成为数个电容器静片。位于导电液体和电容极板之间的容器壳壁和气泡，则成为以上电容器动片和静片之间的介电物质。如此，由容器内的导电液体所形成的一个电容器动片，相对于容器外表数个电容极板形成的数个电容静片，成为一组以电极引线为公共端点的多联差动可变电容器，也就是本传感器的等效电路。

传感器的工作原理如下：将传感器置于被测物体的基准平面上，当传感器工作在水平状态时，气泡位居容器内上部中央，和各电容极板相对应的面积均相等，此时导电液体和各个电容极板之间相对应的面积也相等，即电容器动片和各静片相对应的面积相等，所以电容器各联的电容量也相等；当传感器工作在倾斜状态时，气泡位置偏离中央而移向一侧，致使导电液体和各电容极板之间相对应的面积不等，即电容器动片和各静片相对应的面积不等，所以电容器各联的电容量不等，位置变高的一侧由于动片和静片间的面积变小致使此联电容量减小，而位置变低的一侧由于动片和静片间的面积变大致使此联电容量增大，在传感器的允许工作角度内，传感器倾斜越严重，各联电容器之间的电容量差值就越大，这种呈差动规律的电容量变化，反映出传感器倾斜的方向和程度。综上所述，气泡电容式水平度传感器就是这样把被测物体的水平度变化转换成为以各电容极板和电极引线为传感器输出端的电容量信号形式输出，取代了现有气泡式水准器以肉眼观察的形式，具有实质性的重大改进。

基于上述原理和技术方案制作的气泡电容式水平度传感器，可按其形状分为管形、圆形和球形三种基本形式。以上各种形式的传感器都必须满足以下条件：1、传感器的容器必须用绝缘材料制作，其介电常数尽可能大，为了方便观察腔内，在强度允许的条件下优先选用透明材料制作，容器的尺寸要求精确和对称，热变形小。2、传感器容器内充注的导电液体应导电良好，性能稳定，热膨胀系数小。3、电板引线的数量和位置应保证在传感器的允许工作角度范围内，电极引线始终和导电液体保持着接触。4、电容极板的设置应保证传感器在水平状态时各联电容器的电容量相等，而传感器在倾斜状态时各联电容器的电容量不等，并呈差动变化规律，在用于自动控制时电容极板的数量应和被测物体的支点数量相同，以便对应进行控制。5、为了减小传感器在剧烈晃动时，导电液体激荡飞溅的不良影响，传感器应有适当的阻尼，为此除了导电液体应粘度适当外，本实用新型首创了以轻质绝缘材料制作成气泡状的浮块替代空气气泡的方法，既可以利用浮块和容器间的适度摩擦实现阻尼防止往复振荡，又可以减少环境温度变化造成液体和气体体积变化而带来的不良影响。球型气泡电容式水平度传感器因其气泡容积大，可以用轻质绝缘材料制作的薄片状浮板达到上述目的，并可在壳体为透明材料时通过在浮板上安放磁针以指示方位。

由于本实用新型利用了液体在重力作用下自动水平和差动电容器的原理，使被测物体的水平度状态和改变能通过传感器转变为电容量的电参量信号输出，在和传感器配套的放大电路等外部设备作用下，可以将传感器的水平度检测精度比较现有的气泡式水准器提高许多，同时还具有检测角度范围扩大、工作稳定可靠，制作成本不高等特点，能广泛应用于各种工作平台的水平度检测和自动控制，能和机械分度盘配合完成角度测量，也可以应用于军事领域中各种武器平台的高低射角检测和控制，在民用和军用领域中有着广泛的应用的前景。

下面结合附图和具体实施方式示例对本实用新型做进一步的详细说明：

图1、图2和图3是管形气泡电容式水平度传感器结构示意图，图4是其等效电路图。传感器壳体(1)为一个平卧管形容器，图中采用玻璃材料制作，容器外表面上部沿轴向安置了2个电容极板(2)，电容极板在容器径向中心线两侧对称分布，形状相同，电容极板可以用金属薄片制作并粘贴在容器上，也可以在容器外表面涂镀导电薄膜后腐蚀光刻而成。容器内腔充注了占大部分容积的导电液体(3)，并留有一定容积的空气形成一个气泡(4)，导电液体要求其导电性良好并且性能稳定，热膨胀系数小。容器内的导电液体通过一个引至壳体外的电极引线(5)作为接线端，也是传感器等效的双联差动电容器的公共端点o。传感器的等效电路为图4所示，两个电容极板和导电液体之间形成一组双联差动电容器，a端点和o端点之间为一联电容器，b端点和o端点之间为另一联电容器，水平状态时，双联电容器的电容量相等，倾斜状态时，双联电容器的电容量呈差动规律变化。管形传感器的检测方向有限，只适合检测其轴向的水平度变化，对垂直于轴向的水平度变化则不能检测。

图5、图6是圆形气泡电容式水平度传感器的结构示意图，图7是其等效电路图。传感器壳体(1)为一个直立圆形容器，容器外表面上部沿圆周方向均匀分布了形状相同的3个电容极板(2)，容器内腔充导电液体(3)并留有空气形成一个气泡(4)，电极引线(5)作为导电液体和外电路的接线端，也是传感器等效的三联差动电容器的公共端点o。传感器的等效电路为图7所示。3个电容极板和导电液体之间形成一组三联差动电容器，a、b、c三个端点各与o端点之间形成一联电容器，其工作原理与管形传感器相同，圆形传感器的检测方向较管形传感器的检测方向范围大，为平面方向上的360°角度范围，但是和管形传感器相同的是，由于容器内气泡可移动范围有限，在垂直于水平面方向的俯仰角度检测范围仍然有限。

图8，图9和图10是球形气泡电容式水平度传感器的结构示意图，图11是其等效电路图。传感器壳体(1)为一个球形容器，容器外表面上沿经线方向均匀分布了形状相同的4个电容极板(2)，容器内腔充注了占1/2容积的导电液体(3)并留有空气形成一个气泡(4)，电极引线(5)在球形传感器中设置有2个，分别位于球形容器中轴线的两个极点处，以保证传感器工作在任何角度时都有电极引线和导电液体保持接触，电极引线作为导电液体和外电路的接线端，也是传感器四联差动电容器的公共端点O1O2。传感器的等效电路如图11所示，4个电容极板和导电液体之间形成一组四联差动电容器，a、b、c、d四个端点各与o端点之间为一联电容器，其工作原理和管形及圆形传感器相同。球形传感器由于其电容极板覆盖角度很大，可以检测各种角度范围内的水平度变化，适用范围很大。球形传感器工作在角度变化剧烈的环境中，应在球体内腔设置浮板(块)以防液面振荡。

图12是本实用新型的实施示例，是以微型计算机处理技术为核心的工作平台水平度自动控制系统，能完成检测、分析、控制、存储和数字显示以及输出打印等各种功能。图中所绘的是其各功能单元方框图：传感器位于受控的工作平台的基准平面上，交流信号单元的作用是向传感器输入频率和振幅稳定的交流信号用以检测电容量大小，根据不同电容量在固定的频率下容抗大小不等的原理，检测传感器输出的交流信号振幅就可以检测和比较各联的电容量，进而指示倾斜方向和程度，应优先选用频率稳定的晶体振荡器作为信号源，同时注意屏蔽外界干扰信号。选频放大单元把传感器输出的固定频率的微弱交流信号放大至A/D转换电路所需要的输入幅度，要求其噪声低，选频特性好。A/D转换电路的作用是完成把传感器输出放大后的交流模拟信号转变为计算机适用的数字信号，以便进行微机处理，要求其精度和响应速度符合要求，可选用AD0809等。微机处理单元是自动控制系统的核心，可选用MCS-51等，微型计算机把各路输入电容量的信号进行比较和处理，计算出被控制的工作平台否倾斜和倾斜的方向和角度，并在数字显示单元中显示出计算结果，还可以远程输出和打印。微机处理单元发出指令控制伺服单元，通过伺服单元推动执行装置(液压缸等)调整被控制的工作平台至指定的角度。由于微机系统中的存储器可以把执行过程的控制程序、工作环境改变时的修正值和各传感器特性差异的补偿值，以及整个控制过程的经过情况全部存储起来应用于计算，因此整个工作平台水平度自动控制系统可以达到很高的控制精度和控制速度。

Claims (7)

1、用于检测物体水平度的气泡电容式水平度传感器，该传感器有一个以绝缘材料制作的密闭容器，容器内腔充注了占大部分容积的液体，并留有一定容积的空气形成一个气泡，其特征在于容器内腔充注的液体具有良好的导电性，并始终和通向容器外的电极引线保持接触，容器外表面上有数个电容极板，以上结构形成一组以导电液体和电极引线为动片，以电容极板为静片，以居于动片和静片之间的容器壳壁和气泡为介电物质，其电容量随传感器的水平度状态变化呈差动规律变化的多联差动电容器，传感器输出的信号即是此多联差动电容器的电容量变化信号。

2、根据权利要求1所述的传感器，其特征是传感器容器为平卧管形，容器外表面上部沿轴向安置2个电容极板。

3、根据权利要求1所述的传感器，其特征是传感器容器为直立圆形，容器外表面上部沿圆周方向均匀安置3-4个电容极板。

4、根据权利要求1所述的传感器，其特征是传感器容器为球形，容器中轴线两个极点处各有1根电极引线，容器外表面沿经线方向均匀安置3-4个电容极板。

5、根据权利要求1所述的传感器，其特征是容器内的气泡被轻质绝缘材料制作的浮块替代。

6、根据权利要求1所述的传感器，其特征是容器内导电液体上表层被轻质绝缘材料制作的浮板覆盖。

7、根据权利要求1、6所述的传感器，其特征是容器为透明材料制作，液面浮板上安置磁针以指示方位。

Images