成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量方法與裝置制造方法
【專利摘要】成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量方法與裝置屬于角度測量技術(shù)，其中傳感器單元的環(huán)形共面電容測頭由一個(gè)圓形金屬板和四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板組成，五塊金屬板共面同心，四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板沿周向均勻分布，每一塊與圓形金屬板形成電容，將兩個(gè)上述環(huán)形共面電容測頭分別安置于兩個(gè)圓形絕緣基板上，兩個(gè)圓形絕緣基板作為圓柱體容器的兩個(gè)底面，并將此圓柱體容器橫置，在容器中密封注入體積1/2的絕緣性液體，電位引線將十塊金屬板的電位取出并與電容測量單元的輸入端相連，電容測量單元與傾角計(jì)算單元連接；容器發(fā)生傾斜時(shí)，兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭與絕緣性液體的相對(duì)位置發(fā)生變化，通過測量電容容值的變化，可求得傾角值。
【專利說明】成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量方法與裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于角度測量【技術(shù)領(lǐng)域】，主要涉及一種傾角測量方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，公知的測量傾角的傳感方法是利用液體的表面在靜止?fàn)顟B(tài)下始終保持水平的原理。內(nèi)部加入了液體的容器發(fā)生傾斜，穩(wěn)定后液面保持水平，但液體與容器的相對(duì)位置發(fā)生了變化。通過檢測這一過程所引發(fā)的電學(xué)量變化，計(jì)算出容器相對(duì)于內(nèi)部的液體表面的角度，進(jìn)而來測定容器的傾斜角。
[0003]對(duì)于檢測容器與其內(nèi)部所加入的液體表面的之間的傾斜角的傳感方式，可分為電阻式和靜電電容式兩大類。
[0004]日本專利2001-13160號(hào)公報(bào)中介紹了電阻式傳感器的相關(guān)技術(shù)，是將一端封閉的圓筒狀的金屬容器內(nèi)密封入適量的導(dǎo)電性液體，開口用金屬圓板堵塞。將一對(duì)金屬電極貫通并固定于圓板。當(dāng)容器傾斜時(shí)，容器與內(nèi)部的液體表面所成的角度發(fā)生變化，從而使金屬電極與導(dǎo)電性液體的接觸面積改變，使得金屬容器和各金屬電極之間的電阻發(fā)生變化。通過測量其電阻值的變化，就能檢測出容器的傾斜角。
[0005]但是，金屬電極與導(dǎo)電性液體的直接接觸，造成電極本身金屬的析出、導(dǎo)電性液體的電解等電化學(xué)反應(yīng)，傳感器的精度及穩(wěn)定性很難得到長期的保障。
[0006]關(guān)于靜電電容式傳感器，中國CN1668892A號(hào)專利中介紹了相關(guān)技術(shù)。該傳感器就是在電絕緣體制的筒狀密閉容器內(nèi)密封入內(nèi)容積的1/2量的導(dǎo)電性液體，容器內(nèi)平行的兩個(gè)側(cè)面上放置板狀主電極，其表面有硅氧化覆蓋膜，充當(dāng)電介質(zhì)。當(dāng)容器傾斜時(shí)，容器與內(nèi)部的液體表面所成的角度發(fā)生變化，使得板狀主電極和導(dǎo)電性液體之間的電容發(fā)生變化。從而，對(duì)其電容值的變化進(jìn)行測量，以檢測出容器的傾斜角的大小。
[0007]但是，在這種靜電電容式傳感器的情況下，當(dāng)筒狀密閉容器發(fā)生的傾斜角度過大時(shí)，容器內(nèi)部的液體偏置一側(cè)而失去與另一個(gè)主電極的接觸，此時(shí)這種傳感器失去功效。由于原理的局限性，其可測傾斜角的量程總是有限的，且取決于容器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有檢測傾角的傳感方式中金屬電極與導(dǎo)電性液體的直接接觸、傳感器穩(wěn)定性很難得到長期的保障、可測傾角量程的有限性等問題，本發(fā)明提出和設(shè)計(jì)了成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量方法與裝置，該發(fā)明中使用的絕緣性液體避免了極板的析出等電化學(xué)反應(yīng)，傳感器單元中的環(huán)形共面電容結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了 360度全
量程測量。
[0009]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0010]一種成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量方法，所述方法步驟如下:[0011](I)、將一個(gè)圓形金屬板和外部圓環(huán)形金屬板共面同心放置，且外部圓環(huán)形金屬板沿徑向四等分，得到四份四分之一圓環(huán)形金屬板，所述每一份四分之一圓環(huán)形金屬板分別與圓形金屬板形成電容，所述一個(gè)圓形金屬板與四份四分之一圓環(huán)形金屬板組合得到環(huán)形共面電容測頭；
[0012](2)、將兩個(gè)上述環(huán)形共面電容測頭垂直浸入到絕緣性液體中，兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭共軸相向放置，且兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭的四分之一圓環(huán)形金屬板交錯(cuò)分布，絕緣性液體的液面通過兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭的中心，每一份四分之一圓環(huán)金屬板與圓形金屬板形成的電容容值由空氣的介電常數(shù)、絕緣性液體的介電常數(shù)、各自極板裸露在空氣中部分所對(duì)的扇形角和浸沒在絕緣性液體中部分所對(duì)的扇形角共同決定；
[0013](3)、上述兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭沿中心進(jìn)行圓周旋轉(zhuǎn)時(shí)，其傾角發(fā)生改變，絕緣性液體的液面保持水平，兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭與絕緣性液體的相對(duì)位置發(fā)生變化，各極板裸露在空氣中部分所對(duì)的扇形角和浸沒在絕緣性液體中部分所對(duì)的扇形角發(fā)生改變，測量上述四分之一圓環(huán)形金屬板與圓形金屬板形成的電容容值的變化，求得傾角值；
[0014](4)、上述兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭沿中心進(jìn)行圓周旋轉(zhuǎn)，絕緣性液體液面臨近任一環(huán)形共面電容測頭的徑向分割線時(shí)，取另一環(huán)形共面電容測頭所得的計(jì)算結(jié)果作為最終傾角計(jì)算結(jié)果。
[0015]一種成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量裝置，包括電容測量單元和傾角計(jì)算單元，所述電容測量單元與傾角計(jì)算單元連接；所述裝置還包括傳感器單元，所述傳感器單元的構(gòu)造是:在兩端呈開口狀的圓柱體容器的兩開口端分別密封裝配兩個(gè)圓形絕緣基板，在圓柱體容器腔內(nèi)位于兩個(gè)圓形絕緣基板里側(cè)面上分別配裝兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭A、B ;所述環(huán)形共面電容測頭A由一個(gè)圓形金屬板a和四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b、C、d、e構(gòu)成,其中四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b、C、d、e配置在一個(gè)圓形金屬板a外側(cè)，且四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b、C、d、e與一個(gè)圓形金屬板a共面同心，四個(gè)四分之一金屬板b、c、d、e沿周向均勻分布；所述環(huán)形共面電容測頭B由一個(gè)圓形金屬板f和四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板g、h、1、j構(gòu)成,其中四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板g、h、1、j配置在一個(gè)圓形金屬板f夕卜側(cè)，且四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板g、h、1、j與一個(gè)圓形金屬板f共面同心，四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板g、h、1、j沿周向均勻分布；所述環(huán)形共面電容測頭A的四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b、C、d、e和環(huán)形共面電容測頭B的四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板g、h、1、j交錯(cuò)分布；十根電位引線依次分別將圓形金屬板a、四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b、C、d、e和圓形金屬板f、四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板g、h、1、j與電容測量單元的輸入端連接；所述圓柱體容器呈橫置，在所述圓柱體容器內(nèi)密封注入占圓柱體容器體積二分之一的絕緣性液體。
[0016]本發(fā)明具有以下特點(diǎn)及良好效果:
[0017](I)與電阻式傾角測量裝置相比，由于與電極極板接觸的是絕緣性液體，避免了極板本身金屬的析出等電化學(xué)反應(yīng)，因此能夠長期維持傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。
[0018](2)與靜電電容式傾角測量裝置相比，由于橫置的容器可沿中心軸線360度旋轉(zhuǎn)，輸出的電容值始終與傾斜角存在函數(shù)關(guān)系，因此測量范圍不受限制，具有360度全量程測量的特點(diǎn)。
[0019](3)由于使用了共軸相向放置的兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭，且兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭的四分之一圓環(huán)形金屬板交錯(cuò)分布，提高了絕緣性液體液面臨近環(huán)形共面電容測頭的徑向分割線時(shí)傾角測量的靈敏度，測量結(jié)果更加精確。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量裝置的傳感器單元的外形透視圖
[0021]圖2為成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測頭A的原理示意圖
[0022]圖3為成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測頭B的原理示意圖
[0023]圖4為成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測頭A的正視圖
[0024]圖5為成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測頭B的正視圖
[0025]圖6為成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測頭A傾斜時(shí)的說明圖
[0026]圖7為成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測頭B傾斜時(shí)的說明圖
[0027]圖8為成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖
[0028]圖中件號(hào)說明:1環(huán)形共面電容測頭A、2圓形金屬板a、3四分之一圓環(huán)形金屬板b、4四分之一圓環(huán)形金屬板c、5四分之一圓環(huán)形金屬板d、6四分之一圓環(huán)形金屬板e(cuò)、7圓形絕緣基板、8環(huán)形共面電容測頭B、9圓形金屬板f、10四分之一圓環(huán)形金屬板g、11四分之一圓環(huán)形金屬板h、12四分之一圓環(huán)形金屬板1、13四分之一圓環(huán)形金屬板j、14圓形絕緣基板、15圓柱體容器、16絕緣性液體、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26電位引線、27傳感器單元、28電容測量單元、29傾角計(jì)算單元。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0030]一種成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量裝置，包括傳感器單元27、電容測量單元28和傾角計(jì)算單元29，如圖8所示為傾角測量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖1中示出傾角測量裝置的傳感器單元的外形透視圖，所述傳感器單元27的構(gòu)造是:在兩端呈開口狀的圓柱體容器15的兩開口端分別密封裝配兩個(gè)圓形絕緣基板7、14，在圓柱體容器15腔內(nèi)位于兩個(gè)圓形絕緣基板7、14里側(cè)面上分別配裝兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭A1、B8 ;所述環(huán)形共面電容測頭Al由一個(gè)圓形金屬板a2和四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b3、c4、d5、e6構(gòu)成,其中四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b3、c4、d5、e6配置在一個(gè)圓形金屬板a2夕卜側(cè)，且四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b3、c4、d5、e6與一個(gè)圓形金屬板a2共面同心，四個(gè)四分之一金屬板b3、c4、d5、e6沿周向均勻分布；所述環(huán)形共面電容測頭B8由一個(gè)圓形金屬板f9和四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板gl0、hll、il2、jl3構(gòu)成,其中四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板gio、hll、il2、jl3配置在一個(gè)圓形金屬板f9外側(cè)，且四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板glO、hll、il2、jl3與一個(gè)圓形金屬板f9共面同心，四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板glO、hll、il2、jl3沿周向均勻分布；所述環(huán)形共面電容測頭Al的四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b3、c4、d5、e6和環(huán)形共面電容測頭B8的四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板glO、hll、il2、jl3交錯(cuò)分布；十根電位引線17、18、19、20、21、22、23、24、25、26依次分別將圓形金屬板a2、四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b3、c4、d5、e6和圓形金屬板f9、四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板glO、hll、il2、jl3與電容測量單元28的輸入端連接；所述圓柱體容器15呈橫置，在所述圓柱體容器15內(nèi)密封注入占圓柱體容器15體積二分之一的絕緣性液體16。
[0032]所述的圓形絕緣基板7、14由樹脂玻纖材料制成。
[0033]所述的絕緣性液體16是由甲醇、乙醇、異丙醇的醇類、丙酮、丁酮的酮類、二甘醇單丁基醚的醚類中的一種或多種成分組合的液體。
[0034]一種成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量方法，該方法步驟如下:
[0035](I)將一個(gè)圓形金屬板和外部圓環(huán)形金屬板共面同心放置，且外部圓環(huán)形金屬板沿徑向四等分，得到四份四分之一圓環(huán)形金屬板，所述每一份四分之一圓環(huán)形金屬板分別與圓形金屬板形成電容，所述一個(gè)圓形金屬板與四份四分之一圓環(huán)形金屬板組合得到環(huán)形共面電容測頭。
[0036]參照附圖2、3，環(huán)形共面電容測頭A、B的金屬板間電力線沿金屬板均勻分布，可近似用半圓弧形線代替。依照單一共面電容的求解公式，可知環(huán)形共面電容與電介質(zhì)的介電常數(shù)成正比關(guān)系，可用下式表示。
[0037]C = K.ε
[0038](2)將兩個(gè)上述環(huán)形共面電容測頭垂直浸入到絕緣性液體中，兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭共軸相向放置，且兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭的四分之一圓環(huán)形金屬板交錯(cuò)分布，絕緣性液體的液面通過兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭的中心，每一份四分之一圓環(huán)形金屬板與圓形金屬板形成的電容容值由空氣的介電常數(shù)、絕緣性液體的介電常數(shù)、各自極板裸露在空氣中部分所對(duì)的扇形角和浸沒在絕緣性液體中部分所對(duì)的扇形角共同決定。
[0039]圖4為傾角測量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測頭A的正視圖，金屬板2、3所形成的電容和金屬板2、4所形成的電容、金屬板2、5所形成的電容以及金屬板2、6所形
成的電容可分別用下式表示。
[0040]
【權(quán)利要求】
1.一種成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量方法，其特征在于:所述方法步驟如下: (1)、將一個(gè)圓形金屬板和外部圓環(huán)形金屬板共面同心放置，且外部圓環(huán)形金屬板沿徑向四等分，得到四份四分之一圓環(huán)形金屬板，所述每一份四分之一圓環(huán)形金屬板分別與圓形金屬板形成電容，所述一個(gè)圓形金屬板與四份四分之一圓環(huán)形金屬板組合得到環(huán)形共面電容測頭； (2)、將兩個(gè)上述環(huán)形共面電容測頭垂直浸入到絕緣性液體中，兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭共軸相向放置，且兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭的四分之一圓環(huán)形金屬板交錯(cuò)分布，絕緣性液體的液面通過兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭的中心，每一份四分之一圓環(huán)金屬板與圓形金屬板形成的電容容值由空氣的介電常數(shù)、絕緣性液體的介電常數(shù)、各自極板裸露在空氣中部分所對(duì)的扇形角和浸沒在絕緣性液體中部分所對(duì)的扇形角共同決定； (3)、上述兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭沿中心進(jìn)行圓周旋轉(zhuǎn)時(shí)，其傾角發(fā)生改變，絕緣性液體的液面保持水平，兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭與絕緣性液體的相對(duì)位置發(fā)生變化，各極板裸露在空氣中部分所對(duì)的扇形角和浸沒在絕緣性液體中部分所對(duì)的扇形角發(fā)生改變，測量上述四分之一圓環(huán)形金屬板與圓形金屬板形成的電容容值的變化，求得傾角值； (4)、上述兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭沿中心進(jìn)行圓周旋轉(zhuǎn)，絕緣性液體液面臨近任一環(huán)形共面電容測頭的徑向分割線時(shí)，取另一環(huán)形共面電容測頭所得的計(jì)算結(jié)果作為最終傾角計(jì)晳奸里
2.一種成對(duì)四等 分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量裝置，包括電容測量單元(28)和傾角計(jì)算單元(29)，所述電容測量單元(28)與傾角計(jì)算單元(29)連接；其特征在于:所述裝置還包括傳感器單元(27)，所述傳感器單元(27)的構(gòu)造是:在兩端呈開口狀的圓柱體容器(15)的兩開口端分別密封裝配兩個(gè)圓形絕緣基板(7、14)，在圓柱體容器(15)腔內(nèi)位于兩個(gè)圓形絕緣基板(7、14)里側(cè)面上分別配裝兩個(gè)環(huán)形共面電容測頭A、B(1、8)；所述環(huán)形共面電容測頭A(I)由一個(gè)圓形金屬板a(2)和四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b、c、d、e(3、4、5、6)構(gòu)成,其中四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b、c、d、e(3、4、5、6)配置在一個(gè)圓形金屬板a(2)外側(cè),且四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b、c、d、e (3、4、5、6)與一個(gè)圓形金屬板a(2)共面同心，四個(gè)四分之一金屬板b、c、d、e(3、4、5、6)沿周向均勻分布；所述環(huán)形共面電容測頭B(8)由一個(gè)圓形金屬板f (9)和四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板g、h、1、j (10、11、12、13)構(gòu)成，其中四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板g、h、1、j (10、11、12、13)配置在一個(gè)圓形金屬板f (9)外側(cè)，且四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板g、h、1、j (10、11、12、13)與一個(gè)圓形金屬板f(9)共面同心，四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板g、h、1、j(10、ll、12、13)沿周向均勻分布；所述環(huán)形共面電容測頭A(I)的四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b、c、d、e(3、4、5、6)和環(huán)形共面電容測頭B(8)的四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板g、h、1、j (10、11、12、13)交錯(cuò)分布；十根電位引線(17、18、19、20、21、22、23、24、25、26)依次分別將圓形金屬板a(2)、四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板b、c、d、e(3、4、5、6)和圓形金屬板f (9)、四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板g、h、1、j (10、11、12、13)與電容測量單元(28)的輸入端連接；所述圓柱體容器(15)呈橫置，在所述圓柱體容器(15)內(nèi)密封注入占圓柱體容器(15)體積二分之一的絕緣性液體(16)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量裝置，其特征在于:所述的圓形絕緣基板(7、14)由樹脂玻纖材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成對(duì)四等分環(huán)-圓嵌套極板相向交錯(cuò)放置式傾角測量裝置，其特征在于:所述的絕緣性液體(16)是由甲醇、乙醇、異丙醇的醇類、丙酮、丁酮的酮類、二甘醇單丁基 醚的醚類中的一種或多種成分組合的液體。
【文檔編號(hào)】G01C9/20GK104019797SQ201410179173
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】郭佳豪, 譚久彬, 胡鵬程 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)