CN87100808A - 一种倾斜测量装置 - Google Patents

Abstract

一种倾斜测量装置，其传感器是由局部充有导电液体的膜盒3构成的。盒内配置有能与该液体接触的电极A、B、C、D。将电信号加在电极C、D间以及A和B上，可得到电极A及B浸入液体程度的指示信号。这两个信号的比值，用来显示该膜盒关于参考轴0的倾斜角。这个倾斜角还与电极A、B间的空隙所限定的参考角有关。

膜盒3的结构应能补偿热效应。膜盒两端对于盒内固体热膨胀引起的压力变化有响应，使膜盒的体积随之发生膨胀，从而维持液体的水平面不发生变化。

Description

本发明涉及一种倾斜测量装置，特别是一种电子水准器用或倾斜计用的传感器，但並不局限于此。

通常称之为气泡水准器的光学水准器，是人们所熟悉的。它根据充液玻璃瓶中的气泡，在瓶内总要寻求最高的原理，可以对表面是否水平提供一种光学指示。因此，可把玻璃瓶做成微微弯曲的，以使它处在水平状态时气泡总是取平衡位置。象这样的气泡水准器，如果放在合适的框架中，还可以用来对表面是否垂直提供指示。

然而，这样的气泡水准器，不能超出一个极为有限的限度来测量水平偏差或垂直偏差。而且，由于水平测量或垂直测量与操作人员确定气泡位置的能力有关，所以这种气泡水准器难以做精确的读数。比如光线很暗，视力不清这类因素，都会对此造成明显的影响。

电子气泡水准器，在比如美国专利4，167，818中曾由Cantarella提出过。该水准器用了一个局部充有导电液体的膜盒。膜盒中配置有若干个电极，电极之间的电阻，取决于膜盒中导电液体的位置，从而就取决于膜盒的倾斜状况。该水准器可提供偏离水平和偏离垂直的倾斜角的读数。这种水准器的缺点在于，对于水平或者垂直的任何测量精度，都与诸如温度之类的环境条件有关，因为温度的起伏可导致膜盒中导电液体水平面及其电阻的改变，从而也就影响到电极不均等地浸入导电液时对倾斜角的读数。

本发明的第一个内容是，有一个局部充有液体的膜盒，其中液体体积的变化是温度的函数，而且随着由于温度带来的压力变化，膜盒可做弹性变形。结果，膜盒内部体积将随温度而变化。因此要选择膜盒的尺寸以及制做膜盒壁的材料，以便提供盒内液体水平面与温度间的予定关系。

本发明的第二个内容是，有一个局部充有液体的膜盒，盒壁要做成使得盒内温度引起的压力变化将导致盒壁弹性变形，以使盒内水平面基本上保持不变。

本发明所述的实施例中，有一个园柱形的膜盒，选择膜盒径向壁随盒内压力增加所产生的凸起，即通过选择径向壁的厚度和制做材料，使得温度变化所引起的液体体积增加能够由膜盒体积的增加来补偿，也即通过改变膜盒径向壁的形状来实现，以维持液体水平面基本上不变。

还有一种方法是，选择膜盒径向壁的外形变化，使液体水平面按予定方式随着温度波动。

前面特别提到的申请中，膜盒用于倾斜测量装置中。在这个装置中测得的盒内电极与液体间的电阻是由倾斜量决定的，而且易于随温度波动，这是由于盒内液体水平面会发生改变，而且与电极相连的开关的电阻也会随液体电阻的改变而出现波动。由液体水平面的变化带来的电阻波动，可按上述方式通过调节膜盒体积进行补偿。通过按照予定的方式改变膜盒体积，可使水平面以预定的方式波动，而与温度有关的开关的电阻及液体的电阻，可随液体水平面变化的补偿一起得到补偿，至少可做到“最佳”趋近。

本发明的第三个内容是由局部充有液体的膜盒构成的倾斜传感器的校准方法。膜盒内液体的位置，用来指示膜盒绕参考轴的转角;盒内配置着许多电极，用以在一定的角度范围内对上述位置进行检测。激励电源、检测电路以及将上述电极联结在检测电路和激励电源上的装置，能够用来测量液体的许多电学特性。所有这些，一起用来指示上述位置。上述校准方法所包括的步骤是：把该传感器放在至少两种已知的角度θ上，测出相应的检测角θ′，再从已知角及检测角算出校准值a和b。其中

θ＝aθ′+b。

现在参照附图以举例的方式描述本发明的实施例。其中：

图1是构成本发明实施例一部分的传感器膜盒的透视图;

图2为取自图1中平面Ⅱ-Ⅱ处的剖面图;

图3为取自图1中平面Ⅲ-Ⅲ处的分解剖面图;

图4a-b为在不同倾斜位置处类似于图2的膜盒剖面图;

图5用来说明传感器的角度范围;

图6为用来解释液体水平面变化如何影响膜盒灵敏度的图解;

图7用来说明图1至图3所示膜盒对温度起伏的补偿能力;

图8及图9用来说明为进行温度补偿而进行膜盒最佳壁厚计算时的设计计算特征图;

图10为用来解释开关电阻如何影响膜盒灵敏度的图解。

参见图1至图3，编号1表示倾斜传感器。这个传感器包括的膜盒3，一般说来是园柱形的。膜盒3由两个能衔接在一起，但不导电的化学中性塑料制件5和7构成，最好用有15-20%的玻璃珠加强了的热塑性聚脂（比如像VALOX这类的聚丁烯对酞酸盐）构成，以便能有足够的强度和稳定性。

为了确保塑料制件5和7的气密性封接，它们是用超声波焊接在一起的。制件5和7的两个端面9和11的厚度要做得像下文描述的那样，能够随着膜盒3内的压力变化而产生弹性变形。

塑料制件5和7内分别设置用镍做的电极A、B和C、D。每个电极A-D一般都是半园形的，最好采用真空蒸镀或加热使金属薄片粘结的方法（其他的电极形成方法也可以使用），分别在塑料制件5和7上形成。电极A、B（或C、D）是由延伸的空隙8（或10）彼此隔开的，使得电极A、B（或C、D）不直接发生电接触。空隙8和10是很窄的，最好小于0.5毫米。电极A-D用导电塑性材料制的铆钉与壳体相连，最好是通过超声波把它们焊接在壳体的两个半边;图2表示出电极A、B所用的铆钉13和15。

另外一种情况是，膜盒可以由两个相同的塑料园盘构成，用丝网印刷法在园盘上形成电极，再把每个园盘与一个中空的园柱形塑料隔圈的开口轴端相连，组成膜盒;将两个园盘相对转动90°，就能给出图1所要求的电极配置。如下文所述，把电极A、B相对于电极C、D绕着参考轴0旋转90°，就能测量直到360°的角。膜盒3内放的导电液体17，最好是蒸馏水、甲醇和盐（譬如醋酸钠三水合物：CH₃COONa·3H₂O）的混合物，在常温常压下充入膜盒3的一半体积。膜盒的剩余部分是充了惰性气体的，例如氩。

参照图4a和4b可描述膜盒的总体动作方式，该图表示一种以电极A、B做为检测电极的测量。图4a和4b以图解方式说明了膜盒3是怎样工作的，框架19的底边21贴着被测的表面，要测的就是框架的倾斜。在这种情况下，C、D这一对电极是耦合在一起的，以便形成共用电极，尔后在电极A或B上加上交变电压。阻抗大小，具体说来是电极C、D与电极A或电极B之间通路的电阻，是与电极A或电极B浸入导电液17的程度有关的，浸入的程度愈高，通路的电阻愈低。

因此，测量电极C、D与电极A之间以及电极C、D与电极B之间两条通路的电阻，就能算出传感器的倾角θ。

更准确地说，正如通过比较图4a和4b所能看到的那样，电极A、B总的浸润面积基本上总是一个常量，以致于A、B间的阻抗忽略不计时

1/(Z_T) ＝ 1/(Z₁) ＋ 1/(Z₂) （1a）

其中 Z_T为膜盒的总电阻;

Z₁为电极C、D与A之间通路的电阻;

Z₂为电极C、D与B之间通路的电阻。

而且 Z₁＝ 180/(90+θ) ·Z_T（1b）

Z₂＝ 180/(90-θ) ·Z_T（1c）

于是电阻Z₁与Z₂的比值R为

(Z₁)/(Z₂) ＝R＝ (90－θ)/(90＋θ) （2）

由此可得

θ＝90 (（1-R）)/(（1+R）) （3）

R的典型值列举如下：

表1

θ R＝ (Z₁)/(Z₂)

-90    ∞

-50    3.5

-45    3

0    1

+45    0.33

+50    0.286

+90    0

在图4a和4b表示的构形中，电极A、B使用的检测角，从水平面起可达±50°。对于超出这个限度的倾斜角，可将电极重新组合，使电极A、B成为共用电极，並以正交分布的电极C、D为检测电极。在这种构形中，传感器的角度测量范围是由垂直面起可达±50°。

重新组合电极，最方便的办法是使用由多个模拟开关构成的开关矩阵来完成，让每个电极与交变电源或与另一个电极共用的检测电路相连是比较合适的。

使用这种电极开关，根据对水平面或垂直面的偏差，就能在整个360°的倾角范围内进行测量（如图5所示），所用电极构形由计算电路和控制电路（图中未表示）依传感器的倾角来选择的。开始进行倾斜测量时，选用任意一对电极（例如C、D），做为共用电极对，都是能由控制电路完成测量工作的。如果由计算电路计算出来的比值R处在所能允许的±50°范围内（参见表1），测量就能继续进行。反之，如果测出的比值R超出能够允许的范围，就要改变电极的构形，与另外一对共用电极相接，完成测量。

上面描述的膜盒中，膜盒3内液体17的体积易于随温度波动。由于体积变化是由膜盒及液体不同的热膨胀而产生的，所以温度的变化将导致液体水平面的变化，从而对倾斜测量造成影响。参照图6可说明这种影响。

设液体水平面随温度的增加用高度X的变化来表示，再令S_T表示有一半充满液体的膜盒的“总”电导，则有

S_T＝ 1/(Z_T) ＝ 1/(Z＇_A) ＋ 1/(Z＇_B) （4）

其中Z′_A，Z′_B分别为电极C、D与A之间以及C、D与B之间通路的电阻。

1/(Z＇_A) ＝S＇_A＝S_A＊＋S＇_A＝ (S_T)/2 [1＋ (θ)/90 ］＋ (S_T)/2 ［ $\frac{\mathrm{Xr}}{\pi \frac{r^2}{4}}$ ］…(5)

= (S_T)/2 ［1＋ (θ)/90 ＋ (4X)/(πr) ]…（6）

其中S_A＊是由浸入液体中的极板面积A＊提供的电导;

S_A′是由浸入液体中的极板面积A′提供的电导。

与此相似可得S_B ^′= (S_T)/2 [1- (θ)/90 + (4X)/(πr) ]…（7）

这种情况下R= (S＇_B)/(S＇_A) …（8）

将等式（6）、（7）以及（8）联立並整理，可得：

θ＝90（ (1-R)/(1+R) ）（ (4X)/(πγ) +1） …（9）

由此而得出的校正系数a为：

a＝（1+ (4X)/(πγ) ） …（10）

由此可以看出，当温度引起X变化时，检测角将发生相应的改变。

同时还可以看出，若一开始膜盒並不是刚好充满一半体积的液体，则随着这种原始的液面差异会产生一种误差，这种误差与导致液体水平面变化的温度並无关系。然而，这种误差可通过下面介绍的校准方法得到补偿。

为了对因温度造成的水平面变化进行补偿，应选择膜盒制件5和7的两个端面9和11的厚度，使之随着盒内压力变化而发生弹性变形。这种压力变化是因温度变化使得膜盒3中液体体积和气体蒸汽压力改变而引起的，如图7所示（那是对温度升高的情况而言的）。对于一定的端面厚度来说，制件5、7端面的变形将使膜盒3的体积增加，以与液体体积的增加相匹配，从而使液体17的水平面基本保持不变。通过以下的设计计算实例，可以形象地说明：

假设条件如下：

1.假设在一个密闭的局部充液的园柱形容器中，不计液体水平面随温度变化所产生的变化（或减小到忽略不计的程度）。

（注意：这一原则还可以扩展到非园柱形容器。）

2.液体具有正的体积热膨胀系数，並且比容器的体积热膨胀系数要大得多。

3.容器剩余空间所充的气体或蒸汽所表现出来的压力热变化，在整个工作温度范围内基本上是线性的。

4.制做容器的材料是均匀的，各向同性的，並具有单一的正的热膨胀值。

（注意：如果不能满足是这一假设，这个原理还可以应用，只不过设计计算会变得更加复杂。）

5.对于这个特定的设计来说，园柱形容器的轴是水平放置的。与容器的外形尺寸相比，容器壁是薄的，而且不得施加超出弹性限度的力。全部挠度都不大。

6.园柱形容器的直径为D＝50毫米，轴向长度L＝10毫米。

设计计算如下：

1.不同的热膨胀

设想园柱形容器的直径为D，其轴向长度为L，並用体积热膨胀系数为e_f的液体充填到与其直径重合处。制做容器的材料的线膨胀系数为e_v，如图6所示的那样。

线膨胀系数是在温度T+δT范围内确定的。

直径＝D（1+e_vδT）

类似地，液体的体膨胀系数为e_f时，液体的体积＝

V（1+e_fδT），其中V为温度T时的原始体积。

在这种情况下，温度为T时，容器的体积为 (πD²)/4 ，故在温度T+δT时的新体积为：

(π)/4 [D(1+^e _vδT)]²(1+^e _vδT)= (πD²)/4 (1+…^e _vδT)³（11）

温度为T时，液体的原始体积为 (πD²)/8 ，故在温度T+δT时，液体的新体积为：

(πD²)/8 (1+e_fδT)

所以，容器内液体上升的高度为：

(液体的新体积-容器的新体积之半)/(直径处的新X截面面积)

（注意：这里假设液体的水平面变化是很小的）。因此，液体水平面的升高等于

$\frac{\frac{{\mathrm{\pi D}}^2}{8}{\mathrm{(1+e}}_f\mathrm{\delta T)-}\frac{{\mathrm{\pi D}}^2}{8}{\mathrm{(1+e}}_v{\mathrm{\delta T)}}^3}{{\mathrm{D(1+e}}_v{\mathrm{\delta T)}}^2}$

$=\frac{\frac{\mathrm{\pi D}}{8}{\mathrm{［1+e}}_f{\mathrm{\delta T-(1+e}}_v{\mathrm{\delta T)}}^3］}{{\mathrm{(1+e}}_v{\mathrm{\delta T)}}^2}$

将这个公式展开並略去e_f和e_v的高次幂，可得下式

$=\frac{\frac{\mathrm{\pi D}}{8}{\mathrm{［e}}_f{\mathrm{\delta T-3e}}_v\mathrm{\delta T\; ］}}{{\mathrm{1+2e}}_v\mathrm{\delta T}}$

由于2e_vδT＜＜＜1，故上式可趋近为

(πD)/8 δT（e_f-3e_v） …（13）

需要指出的是，3e_v是容器的体膨胀系数。

2.由于内压力造成的容器凸起

对于一个在园周上简支的扁平园形平板来说，在偏离中心，半径为γ的任意一点的挠度，可由下式给出：

Y= (3Pa²(1-V²))/(8Et³) ［ ((5+V)a²)/(2(1+V)) + (r⁴)/(2a²) - ((3+V)r²)/((1+V)) …（14）

（参见ROARK用于应力及应变的公式。McGrawHill，第四版，第216页，情况1。）

其中    P-内部压力;

a-平板的半径;

E-平板材料的杨氏模量;

t-平板的厚度;

V-平板材料的泊松比。（假定材料为各向同性。）

由于这种挠度存在而带来的体积增加，可由下式给出：

$2\mathrm{\π}{\∫}_{r=0}^{r=a}Y\·r\·\mathrm{dr}...\left(15\right)$

（参见图9）

假设压力/温度关系满足气体定律，即：

(P₂)/(P₁) = (T₂)/(T₁)

或者改写成P₂=P₁(T₂)/(T₁)

或者P=P₂-P₁=P₁( (T₂)/(T₁) -1)≈ 1/239 P₁/k

（对于很小的温度变化而言）。

（假设T₁＝20℃＝293K）

所以，做为温度的函数而凸起的体积，可由下式给出：

$\frac{2\mathrm{\π}}{293}\·\frac{3}{8}\·\frac{p_1{a}^2(1-v^2)}{{\mathrm{Et}}^3}{\∫}_{r=0}^{r=a}[\frac{5+v}{2(1+v)}{a}^2+\frac{r^4}{{2a}^2}-\frac{(3+V)r^2}{1+V}]r\·d.$

（毫米³/K）

将以下数值代入公式：

P₁＝0.1牛顿/毫米²（＝1巴）;

a＝25毫米;

V≈0.4（对于聚酯来说，参照KEMPE）

E≈2300牛顿/毫米²（VALOX材料的标称值）。

积分之后可得：

$\frac{2\mathrm{\π}}{293}\·\frac{3}{8}\·\frac{0.1\×{25}^2\×0.84}{2300t^3}{\∫}_0^{25}1205r+\frac{r^5}{1250}-2.429r^3\mathrm{dr}$

$=\frac{\mathrm{183.559}}{{\mathrm{10}}^6{t}^3}{}^{\mathrm{25}}{}_0［\frac{{\mathrm{1205r}}^2}{2}+\frac{r^6}{\mathrm{7500}}-\frac{r^4}{\mathrm{1.6468}}］$

= 31.56/(t³) （毫米³/K） …（16）

3.让热膨胀与容器凸起相等

选择所用的典型材料的膨胀值：

对于甲醇来说：e_f＝1190×10^-6（体膨胀系数）

对于VALOX来说：e_v＝70×10^-6（线膨胀系数）

（标称值）

由于热膨胀带来不同的体积变化＝液体高度变化×径向截面

＝ (πD)/8 （1190-3×70）×10^-6D·L（由公式13求出。）

其中L为容器的轴向长度，L＝10毫米

所以上式= (π×50²×10)/(8×10⁶) (1190-210)=9.621毫米³／K

9.621= 31.56/(t³)

t³＝ 31.56/9.621

∴t＝1.486毫米

这里所做的计算是假定容器园柱形壁的压力膨胀可以忽略不计，两块园形壁是等厚的。

若这些假定不存在，这个原理仍可使用。

为了计算方便，假设膜盒壁是在园周上简支的，並具有均匀的厚度。对于技术熟练的人员的能力而言，可以做更精细的分析，比如对于特殊应用，可通过有限无法提供更加精确的公式（14）。

应当想到，这种原则也能够应用到倾斜传感器之外的其它应用中去。

上述温度补偿技术，还可以用于倾斜传感器中其它元件的附加温度补偿。具体地讲，如果传感器测量的角度超出使用电极开关测量时电极A、B的允许测量范围，就像前面提到过的整个360°倾角范围，或是用作为专用积分电路（ASIC）组成部分的电子开关做电极开关时，则这样的开关的电阻也是会随着温度变化的。

这种电阻会对测得的传感器总电阻有所贡献，故而，对计算电路和控制电路校准时，要把开关的电阻考虑进去（如下所述）。不过，要是不使用温度传感器，既使大大加强对存储电容的校准，上面所做的校准仍不能补偿温度所引起的电阻起伏。

参照图10可以说明开关电阻对测角的影响。做为一种可供使用的电极构形，每个电极都与电阻γsw的模拟开关相连，所以可将膜盒的总检测电阻比（R）变形如下：

R^－1＝ 1/(R) ＝ (2r_sw+Z₂)/(2r_sw+Z₁) …（17）

$=\frac{{\mathrm{2r}}_{\mathrm{sw}}+\frac{{\mathrm{2Z}}_T}{\mathrm{1-}\frac{\theta }{\mathrm{90}}}}{{\mathrm{2r}}_{\mathrm{sw}}+\frac{{\mathrm{2Z}}_T}{\mathrm{1+}\frac{\theta }{\mathrm{90}}}}\mathrm{\dots \dots （18）}$

（来自等式1b+1c）

展开並移项，可得

θ²［ (α(R^-1-1))/(90²) ］+θ[ (R^-1+1)/90 ](R^-1-1)(1+α)=0…（19）

其中α= (r_sw)/(Z_T) …（20）

解关于θ的二次方程，並令

θ＇=90 ((R^-1-1))/((R^-1+1)) …（21）

（由3式出发，令R^-1＝ 1/(R) ，θ′为算出来的角度）于是可得：

$\mathrm{\theta \; =}\frac{\mathrm{-1\pm }\sqrt{\mathrm{1+4\alpha (1+\alpha )(}\frac{\mathrm{\theta \; ＇}}{\mathrm{90}}{)}^2}}{\frac{\mathrm{2\alpha }}{\mathrm{90}}\times \frac{\mathrm{\theta \; ＇}}{\mathrm{90}}}\mathrm{\dots \dots （22）}$

由于θ和θ′同号，且因α＜＜1，所以，由台劳展开可得：

$\mathrm{\theta \; \approx }\frac{\mathrm{-1+1+2\alpha (1+\alpha )(}\frac{\mathrm{\theta \; ＇}}{\mathrm{90}}{)}^2}{\frac{\mathrm{2\alpha }}{\mathrm{90}}\times \frac{\mathrm{\theta \; ＇}}{\mathrm{90}}}\mathrm{\dots \dots （23）}$

=(1+α)θ＇

由于γsw随着温度起伏（如上所述），以及膜盒的总电阻Z_T也随温度起伏，所以 ((1+r_sw))/(Z_T) 这一项与温度有关。不过，还是可以看出，对于液体水平面和开关电阻来说，随角度而变的补偿系数a′是

a＇=1+ 4/(π) · (x)/(r) + (r_sw)/(Z_T) …（24）

正如先前讨论过的，可以把膜盒设计成别的形状，可使 4/(π) · (X)/(γ) 保持不变。不过，可把膜盒进一步变形，使 (r_sw)/(Z_T) 的变化补偿到某种程度，来进一步减小补偿系数a′与温度的关系。在这种情况下，盒内液体的水平面将随温度略有波动，以便对开关电阻及液体电阻的变化做附加补偿。

例如，可以把补偿系数a′改写成与温度相关的形式，即

$a^{\′}=1+\frac{{\mathrm{rs},}_{20}(1+\mathrm{\β}\·\mathrm{\ΔT})}{Z_{T{,}_{20}}(1+\mathrm{\α}\·\mathrm{\ΔT})}+\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{x}{y}\mathrm{\ΔT}.....\left(25\right)$

其中，△T表示在给定的温度下（在本例中是20°）测量γsw和Z_T值时温度的变化，X是随着温度变化液体水平面的变化（单位是毫米/K）。

对于理想的温度补偿，

$\frac{r_{\mathrm{s,\; 20}}\mathrm{(1+\beta \; ·\Delta T)}}{Z_{\mathrm{T,\; 20}}\mathrm{(1+\alpha \; ·\Delta T)}}+\frac{4}{\pi }·\frac{x}{r}\mathrm{·\Delta T=}\frac{r_{\mathrm{s,\; 20}}}{Z_{\mathrm{T,\; 20}}}$ (26)

由此可以得出：

$\mathrm{X=}\frac{r_{\mathrm{s,\; 20}}\mathrm{·r}}{Z_{\mathrm{s,\; 20}}\mathrm{·\Delta T}}·\frac{\pi }{4}\mathrm{［1-(1+\beta \; ·\Delta T)(1-\alpha \; ·\Delta T)］}$ (27)

当α和β很小时

≈ (π)/4 · (r_s,20)/(Z_T,20) (α-β)r毫米/K …（28）

按照前面11式至16式介绍过的类似方法，通过实验，求出α和β，可算出所需要的X值並对膜盒的几何形状进行设计，以便对高度变化X不是零的情况，提供必要的补偿。

通常，可根据温度进行膜盒的变形设计，来维持膜盒的电转换並使所有外部检测电路都与温度无关，或者至少能在所要求的温度范围内提供“最佳”状况。在这种情况下，可以凭经验确定与膜盒有关的温度，並按照前面介绍过的方式做膜盒变形设计来提供最有效的温度补偿。

如上所述，在膜盒和传感器中存在很多初始的条件（它们並不随着温度引起的变化而改变），就要对膜盒和传感器进行校准，以便把这些初始条件考虑进去。

一般说来，由上述膜盒及相关联的检测电路测出的角度（θ′）与实际倾斜角（θ）由下式联系起来：

θ＝C₀+C₁θ′+C₂θ′²+C₃θ′³+…+Cnθ′ⁿ…（29）

＝a^＊θ′+b …（30）

其中，a^＊＝C₁+C₂θ′+C₃θ′²+…+Cnθ′^（n+1）…（31）

b＝C₀

校正系数a^＊和b的大小，在某种程度上与电极在膜盒内的位置有关。电极在布局方面的任何偏差都会导致校正系数的变化。所以，对于A、B或C、D每对电极而言，常会有不同的校正系数a^＊、b。

许多发明人都发现，对校正系数a^＊的主要影响，与初始液面对于测量电极的变化有关，这种变化是与倾斜角成线性关系的，就像公式10所明显看出的那样。所以，对于具有合理的制造公差的膜盒而言，系数C₂，…C_n要比C₁小。

从（26）式可以看出，有了这种近似，实际倾角θ就是检测角θ′的线性函数。于是，如果画出θ对θ′的关系曲线，得到的那条直线的斜率就能给出a^＊。所以，把膜盒放成两个已知角度θ₁和θ₂，再测出对应的检测角θ₁′和θ₂′，就能提供足够的数据，来确定两点间所连直线的斜率並给出a^＊。继而，利用初始条件：在原点（O⁰）处，θ＝θ′，就可以算出b来，即：

0＝θ＝a^＊θ′+b

→b＝-a^＊θ′（θ＝0） …（33）

由于校正系数b取决于电极与测量表面间的关系，如果把膜盒倒置，为了给出适当的补偿，就必须改变校正系数b的正负号。

在膜盒的制造阶段，可将a^＊和b的值存入程序可控只读存储器（PROM）中，在计算实际倾角时，供计算电路和控制电路使用。

对图1所示的膜盒进行a^＊值的计算时，最好把已知角选为±45°。这是因为，尽管C₂，…C_n都很小，但它们仍然对角度测量有某些影响。通过在对于极板对为有效的角度范围的端值处选择实际角度，又通过使所得的直线能够经过原点（θ＝θ′＝0）（见33式），就能在整个检测范围内得出对补偿进行校正的合理分布。

应当指出，极板（比如A、B）的这种电极构形不是用于测量0°，就是用来测量180°，这要取决于倾斜测量表面21是倒置的，还是恰好朝上的。为了能够识别这两种情况（或任何别的同样情况），即电极A、B以相等的面积浸入液体，而角度位置上的差异与表面21的布局有关，可以用电极C和D测量同一个角度，得到与倾斜测量装置的两种可能倾角有关的附加信息。由此可以看出，对于用极板A、B所能测得的两种“等效”倾斜来说，与极板C、D有关的液体位置也是不一样的。

对于图1和图8所示膜盒内部电极排列，有如下关系。

表3

这种关系随后还可以用在计算电路中，以便判别系数b应当加还是减。

Claims (45)

1、一种局部充有液体的膜盒，液体体积变化是温度的函数，而且膜盒能够随着温度所引起的盒内压力变化发生弹性变形，以致膜盒的内部体积能随温度变化，因此应选择膜盒壁的外形尺寸及制做材料，在膜盒内液体水平面与温度之间提供予定的关系。

2、如权利要求1所说的膜盒，其中所指的预定关系是：在整个温度范围内，液体的水平面基本上保持不随温度发生变化。

3、如权利要求1或2所说的膜盒，是由塑性材料构成的。

4、如权利要求3所说的膜盒，其中的塑性材料是聚丁烯对酞酸盐。

5、如权利要求3或4所说的膜盒，其中的塑性材料是用玻璃珠加强了的。

6、如上述任何一条权利要求所说的膜盒，其中的液体含有甲醇。

7、如上述任何一条权利要求所说的膜盒，是由中空的园柱体构成的，园柱体所配置的两个端壁能随上述压力变化发生变形，而园柱体的园柱形侧壁则对上述压力变化没有反应。

8、如上述任何一条权利要求所说的膜盒，由彼此衔接在一起的第一制件和第二制件构成。

9、如权利要求7所说的膜盒，由中空园柱形零件以及第一园盘和第二园盘构成，每个园盘都与园柱形零件的一端衔接。

10、包含权利要求1至9任一权利要求所述膜盒的倾斜传感器，还包括多个检测液体电学特性並与膜盒相连的电极，所说的电学特性能随膜盒绕参考轴的倾斜发生变化，从而使传感器所具有的电传输作用是倾角的函数。

11、如权利要求10所说的传感器，其中所说的予定关系要选得能在整个温度范围内对上述传输作用提供对温度的补偿。

12、如权利要求10所说的传感器，进一步还包括能将电极连接成所需要的多种构形的开关装置，该开关装置所具有的电传输作用，是温度的函数。

13、如权利要求12所说的传感器，其中所说的予定关系要选得能在整个温度范围内，对膜盒与开关装置的联合的电传输作用提供对温度的补偿。

14、如权利要求10至13中任一权利要求所说的传感器，其中所说的多个电极包括配置在膜盒内的第一电极和第二电极，第一与第二电极浸入液体中的相对程度，显示出膜盒绕参考轴並相对于第一参考角的倾斜角。

15、如权利要求14所说的传感器，其中所说的多个电极进一步还包括配置在膜盒内的第三和第四电极，第三和第四电极浸入液体中的相对程度，显示出膜盒绕参考轴並相对于与第一参考角不同的第二参考角的倾斜角。

16、如权利要求15所说的传感器，其中第一和第二参考角，是指第一和第二电极或者第三和第四电极同等浸入液体时的角度。

17、如权利要求15或16所说的传感器，其中第一至第四电极的排列，应使膜盒绕参考轴的任意一个倾角至少能被包含在第一和第二个角度范围之一里面。

18、如权利要求15至17中任一权利要求所说的传感器，其中第一和第二参考角是正交配置的。

19、如权利要求14至18中任一权利要求所说的传感器，其中第一及第二电极基本上是半园形的，而且是在参考轴附近彼此分隔开的。

20、如权利要求15至19中任一权利要求所说的传感器，其中第三及第四电极基本上是半园形的，而且是在参考轴附近彼此分隔开的。

21、一种包含权利要求14至20中任一权利要求所说的传感器的倾斜测量装置，其中传感器是相对于平行参考轴的测量表面安装的，从而，测量表面的倾斜必然导致传感器膜盒的相应倾斜。

22、一种局部充有液体的膜盒，膜盒壁的构造，需使膜盒壁随着因温度所致的盒内压力变化而发生弹性变形，以保持盒内液体水平面基本不变。

23、如权利要求22所说的膜盒，是由塑性材料制成的。

24、如权利要求23所说的膜盒，其中的塑性材料是聚丁烯对酞酸盐。

25、如权利要求23或24所说的膜盒，其中的塑性材料是用玻璃珠加强了的。

26、如权利要求22至25中任一权利要求所说的膜盒，其中的液体含有甲醇。

27、如权利要求22至26中任一权利要求所说的膜盒，由中空的园柱体构成，园柱体配置的两个端壁能随上述压力变化而发生变形，而园柱体的园柱形侧壁则对上述压力变化没有反应。

28、如权利要求22至27中任一权利要求所说的膜盒，是由彼此衔接在一起的第一制件和第二制件构成的。

29、如权利要求27所说的膜盒，由中空的园柱形零件、钳口和与园柱形零件每端衔接的第二个园形端件构成。

30、包含权利要求22至28中任一权利要求所说的膜盒的倾斜传感器。

31、如权利要求30所述的传感器，其中的膜盒进一步还包括按一定方式排列的多个电极，以便能同液体相接触。

32、如权利要求31所说的传感器，其中所说的多个电极包括配置在膜盒内的第一电极和第二电极，第一和第二电极浸入液体中的相对程度，显示出膜盒绕参考轴並相对于第一参考角的倾斜角。

33、如权利要求32所说的传感器，其中所说的多个电极进一步还包括配置在膜盒内的第三电极和第四电极，第三和第四电极浸入液体中的相对程度，显示出膜盒绕参考轴並相对于与第一参考角不同的第二参考角的倾斜角。

34、如权利要求33所说的传感器，其中第一和第二参考角，是指第一和第二电极或者第三和第四电极同等浸入液体时的角度。

35、如权利要求33或34所说的传感器，其中第一至第四电极的排列，应使膜盒绕参考轴的任意一个倾角，至少能被包含在第一和第二个角度范围之一里面。

36、如权利要求33至35中任一权利要求所说的传感器，其中第一和第二参考角是正交配置的。

37、如权利要求32和36中任一权利要求所说的传感器，其中第一及第二电极基本上是半园形的，而且是在参考轴附近彼此分隔开的。

38、如权利要求33至36中任一权利要求所说的传感器，其中第三及第四电极基本上是半园形的，而且是在参考轴附近彼此分隔开的。

39、一种包含权利要求32至38中任一权利要求所述传感器的倾斜测量装置，其中传感器是相对于平行参考轴的测量表面安装的，从而，测量表面的倾斜必然导致传感器膜盒的相应倾斜。

40、一种局部充有液体的膜盒构成的倾斜传感器的校正方法，膜盒中液体的位置能够显示出该膜盒绕参考轴的转角，盒内配置多个电极，以便在一定的倾角范围内对上述位置进行检测，激励电源、检测电路以及用以将上述电极连接在激励电源和检测电路上能够测量液体的许多电学特性的装置，所有这些，一起用来指示上述位置，这种校正方法所包括的步骤是：将传感器至少安置在两种已知角度θ，测出相应的检测角θ′並从已知角和检测角计算出校正值a和b，其中

θ＝aθ′+b

41、如权利要求40所说的方法，其中a至少在上述一部分角度范围内为取值不变的。

42、如权利要求41所说的方法，当θ为零时，其中的b值取为-aθ′。

43、如权利要求40至42中任一权利要求所说的方法，其中的传感器包括第一电极对和第二电极对，前者的排列方式是为了在上述角度范围之第一部分内进行角度测量，后者的排列方式是为了在前述角度范围之第二部分内进行行角度测量。

44、如权利要求43所说的方法，其中所说的第一部分包括的角度范围是α，上述第一电极对的排列方式是为了在上述角度范围的更多部分内测量角度，其所包括的角度范围是180°+α，当在上述的更多的部分内测量角度时，上述系数b的取值与所说第一部分的系数b大小相等符号相反。

45、如权利要求43所说的方法，其中所说的第二部分包括的角度范围是β，上述第二电极对的排列方式是为了在更多的角度范围180°+β内测量角度的，当在上述更多的角度范围测量角度时，上述系数b的取值与所说第二部分的系数b大小相等符号相反。

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