傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)及其傾角獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及自動化領(lǐng)域，具體而言，涉及一種傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)及其傾角獲 取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傾斜儀在地震、軍事、海洋、建筑、農(nóng)業(yè)及電子產(chǎn)品等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用。
[0003] 相關(guān)技術(shù)中，通常采用水銀珠水平器或液體擺式傾角傳感器進行傾角測量。然而 上述儀器測量范圍小，穩(wěn)定測量時間較長，不便動態(tài)測量，不能用于自動控制系統(tǒng)。利用固 體擺的原理研制的傾角傳感器可獲得到較高測量精度，但傳感器體積較大和抗沖擊性能 差。
[0004] 因此，如何設(shè)計一種穩(wěn)定性好，體積小巧，并可以用于自動控制系統(tǒng)的傾角傳感 器，以及如何基于上述傳感器進行測量獲取傾斜角度等數(shù)據(jù)，是目前亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的主要目的在于公開一種傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)及其傾角獲取方法，以解 決相關(guān)技術(shù)中還缺乏穩(wěn)定性好，體積小巧，并可以用于自動控制系統(tǒng)的傾角傳感器的問題。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)包括：鈹銅振動元件，設(shè)置于所述敏感頭結(jié) 構(gòu)的中間層，包括：中空的矩形鈹青銅外框，凹字形鈹青銅質(zhì)量塊，條形鈹青銅彈性梁，其 中，所述鈹青銅質(zhì)量塊和所述鈹青銅彈性梁均位于所述鈹青銅外框的內(nèi)部，所述鈹青銅質(zhì) 量塊通過所述鈹青銅彈性梁與所述鈹青銅外框的一條邊內(nèi)側(cè)的中間位置相連接；敷銅有 機板，分別設(shè)置于所述鈹銅振動元件的上層和下層，其中，上層有機板的下表面與所述鈹青 銅質(zhì)量塊相對的位置以及下層有機板的上表面與所述鈹青銅質(zhì)量塊相對的位置，均敷有銅 層，且所述上層有機板和所述下層有機板分別與所述鈹青銅質(zhì)量塊之間留有間隙。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)的傾角獲取方 法。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)的傾角獲取方法包括：基于傾角傳感器敏感 頭結(jié)構(gòu)構(gòu)建信號處理電路，其中，所述信號處理電路將所述敏感頭結(jié)構(gòu)中鈹青銅質(zhì)量塊與 敷銅有機板形成的差動電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓的輸出；當傾角傳感器傾斜角度小于預(yù)定閾 值時，測量獲取所述信號處理電路的輸出電壓值；采用所述輸出電壓值以及預(yù)先確定的比 例系數(shù)關(guān)系，計算得到所述振動元件的偏離中心位置角度P;采用所述偏離中心位置角度 0及所述振動元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)獲取傾角傳感器的傾斜角度a。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施例至少具有以下優(yōu)點：由于鈹青銅材料彈性好，密度 大，耐疲勞、適于做慣性振動元件。采用鈹青銅材料作為振動元件，結(jié)合"三明治"式差動電 容檢測結(jié)構(gòu)，設(shè)計制作的傾角傳感器，穩(wěn)定性好，體積小巧，并可以用于自動控制系統(tǒng)，并且 差動電容可以消除干擾，并受溫度影響不大，靈敏度高，結(jié)構(gòu)制作工藝簡單。
【附圖說明】
[0011] 圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0012] 圖2是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的鈹銅振動元件的幾何結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖3是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的敏感頭傾斜后鈹銅元件偏離角度示意圖；
[0014] 圖4是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的條形鈹青銅彈性梁在彎矩作用下受力的示意圖； 以及
[0015] 圖5是基于本發(fā)明實施例的基于傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)的傾角獲取方法的流程 圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的具體實現(xiàn)方式做一詳細描述。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明實施例，提供了一種傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)。
[0018] 圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖1所示，該傾 角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)包括：鈹銅振動元件10,設(shè)置于所述敏感頭結(jié)構(gòu)的中間層，包括：中空 的矩形鈹青銅外框100,凹字形鈹青銅質(zhì)量塊101，條形鈹青銅彈性梁102,其中，所述鈹青 銅質(zhì)量塊101和所述鈹青銅彈性梁102均位于所述鈹青銅外框的內(nèi)部，所述鈹青銅質(zhì)量塊 101通過所述鈹青銅彈性梁102與所述鈹青銅外框的一條邊內(nèi)側(cè)的中間位置相連接；敷銅 有機板12,分別設(shè)置于所述鈹銅振動元件的上層和下層，其中，上層有機板120的下表面與 所述鈹青銅質(zhì)量塊101相對的位置以及下層有機板121的上表面與所述鈹青銅質(zhì)量塊101 相對的位置，均敷有銅層122,且所述上層有機板和所述下層有機板分別與所述鈹青銅質(zhì)量 塊之間留有間隙。
[0019] 由此可見，鈹青銅質(zhì)量塊和上下極板間均有間隙，形成電容Cl和C2,當傳感器發(fā) 生傾斜，導(dǎo)致兩個電容發(fā)生相對變化，測出電容變化的大小，就可以獲取傾角的大小。由于 鈹青銅材料彈性好，密度大，耐疲勞、適于做慣性振動元件。采用鈹青銅材料作為振動元件， 結(jié)合"三明治"式差動電容檢測結(jié)構(gòu)，設(shè)計制作的傾角傳感器，穩(wěn)定性好，體積小巧，并可以 用于自動控制系統(tǒng)，并且差動電容可以消除干擾，并受溫度影響不大，靈敏度高，結(jié)構(gòu)制作 工藝簡單。
[0020] 其中，所述上層有機板上敷銅層焊接有一根電極引線，所述下層有機板上敷銅層 焊接有一根電極引線，所述鈹銅振動元件上焊接有一根電極引線。
[0021] 通過上述電極引線將上述傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)結(jié)合其他元器件形成信號處理 電路，將差動電容的變化轉(zhuǎn)化為電壓，根據(jù)測量得到的電壓確定傳感器傾角的大小。
[0022] 在優(yōu)選實施過程中，中間層的鈹銅振動元件的鈹銅質(zhì)量塊和左右極板間有間隙， 形成電容Cl和C2。對于兩個平行板電容器，其電容的大小可由下式?jīng)Q定：
[0023] C=eS/d
[0024] 其中，S為電容的兩板覆蓋面積，d為兩板的間距?？梢钥吹诫娙荽笮〉母淖兛梢?通過兩種途徑實現(xiàn)，面積改變和間距改變。
[0025] 鈹銅質(zhì)量塊和左右極板間形成的電容Cl和C2,由于傾斜角度不同會改變鈹銅質(zhì) 量塊和左右極板間的相互覆蓋面積。這樣就改變了C1，C2的大小。再把這種電容的變化通 過信號處理電路轉(zhuǎn)換成電壓，根據(jù)輸出的電壓確定傾角大小。
[0026] 其中，在所述上層有機板與所述鈹青銅外框之間，以及所述下層有機板與所述鈹 青銅外框之間均粘結(jié)有絕緣襯墊圈，以滿足絕緣和調(diào)整振動間隙的作用。
[0027] 在敷銅有機板和鈹青銅外框之間粘結(jié)絕緣襯墊圈，是為了使鈹青銅振動質(zhì)量和敷 銅有機板之間形成預(yù)定大小的間隙，優(yōu)選地，所述上層有機板和所述下層有機板分別與所 述鈹青銅質(zhì)量塊之間留有的間隙均為500ym。
[0028] 其中，當所述傾角傳感器的傾斜角度a小于預(yù)定閾值（例如，30度）時，則傾斜角 度a，與所述鈹銅振動元件的偏離中心位置角度0及所述振動元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、質(zhì)量參數(shù) 相關(guān)。
[0029] 在優(yōu)選實施過程中，如圖2所示，所述凹字形鈹青銅質(zhì)量塊101由兩個凸起矩形部 B、C和位于所述兩個凸起矩形部下方的大矩形部A構(gòu)成，所述兩個凸起矩形部的間距為a3， 所述鈹青銅彈性梁的長度為b3，所述鈹青銅彈性梁的厚度為h，所述大矩形部的質(zhì)量為mA， 所述兩個凸起矩形部的質(zhì)量相等且均為mB，所述大矩形部的中心位置至所述鈹青銅彈性梁 與鈹青銅外框連接處的距離為必；則所述傾角傳感器的傾斜角度a，分別與所述0、所述 a3，所述h成增函數(shù)關(guān)系，分別與所述b3、所述&，所述mA、以及所述叫成減函數(shù)關(guān)系。
[0030] 具體實施過程中，所述傾角傳感器的傾斜角度a根據(jù)公式
[0031] 以下結(jié)合圖2、圖3和圖4對上述公式的推導(dǎo)過程做進一步描述。
[0032] 圖3是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的敏感頭傾斜后鈹銅元件偏離角度示意圖。如圖3 所示，當傳感器傾斜角度為a，鈹銅元件偏離中心位置角度為P，則鈹銅元件相對于重垂 線的偏角為a_P。
[0033] 如圖2所示，傾斜時鈹青銅質(zhì)量塊對于梁根部產(chǎn)生的重力力矩可分為兩個部分A 部分、B部分和C部分，A部分產(chǎn)生的力矩為：
[0039] 彈性元件質(zhì)量產(chǎn)生的力矩和為
[0056]P很?。ㄒ话?度以內(nèi)），
[0059] 例如，上述鈹銅振動元件的幾何結(jié)構(gòu)尺寸如下：a。= 19. 69mm;a丨=16. 07mm;a2 =13. 83mm；a3= 4. 09mm；a4=I. 78mm；b〇= 19. 77mm；b:= 16. 03mm；b2= 14. 88mm；b3 = 9. 06mm;b4=I. 05mm;鈹銅質(zhì)量厚度h丨=0? 50mm;彈性梁厚度h2= 0? 10mm。鈹銅密度P =8. 3X103kg/m3〇
[0060] 把結(jié)構(gòu)尺寸代入上式，得到：
[0061] ^