同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量方法與裝置制造方法
【專利摘要】同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量方法與裝置屬于角度測(cè)量技術(shù)，其中傳感器單元的環(huán)形共面電容測(cè)頭由兩個(gè)半圓形金屬板和兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板組成，四塊金屬板共面同心，兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板沿周向均勻分布且與兩個(gè)半圓形金屬板一一對(duì)應(yīng)、形成電容，將此環(huán)形共面電容測(cè)頭安置于圓形絕緣基板上，圓形絕緣基板作為圓柱體容器底面，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，電位引線將四塊金屬板的電位取出并與電容測(cè)量單元的輸入端相連，電容測(cè)量單元與傾角計(jì)算單元連接；容器發(fā)生傾斜時(shí)，環(huán)形共面電容測(cè)頭與絕緣性液體的相對(duì)位置發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電容容值的變化，可求得傾角值。
【專利說(shuō)明】同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量方法與裝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于角度測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，主要涉及一種傾角測(cè)量方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，公知的測(cè)量?jī)A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(guò)檢測(cè)這一過(guò)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(lái)測(cè)定容器的傾斜角。
[0003]對(duì)于檢測(cè)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(kāi)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(guò)測(cè)量其電阻值的變化，就能檢測(cè)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(zhǎng)期的保障。
[0006]關(guān)于靜電電容式傳感器，中國(guó)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(cè)量，以檢測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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(zhǎng)期的保障、可測(cè)傾角量程的有限性等問(wèn)題，本發(fā)明提出和設(shè)計(jì)了同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)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(cè)量。
[0009]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0010]一種同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)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，且圓形金屬板和外部圓環(huán)形金屬板沿徑向二等分，分別得到二份半圓形金屬板和二份半圓環(huán)形金屬板，所述同一扇形角所對(duì)的半圓形金屬板和半圓環(huán)形金屬板形成電容，所述二份半圓形金屬板與二份半圓環(huán)形金屬板組合得到環(huán)形共面電容測(cè)頭；
[0012](2)、將環(huán)形共面電容測(cè)頭垂直浸入到絕緣性液體中，絕緣性液體的液面通過(guò)環(huán)形共面電容測(cè)頭的中心，同一扇形角所對(duì)的半圓形金屬板和半圓環(huán)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(méi)在絕緣性液體中部分所對(duì)的扇形角共同決定；
[0013](3)、上述環(huán)形共面電容測(cè)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，環(huán)形共面電容測(cè)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(méi)在絕緣性液體中部分所對(duì)的扇形角發(fā)生改變，測(cè)量上述同一扇形角所對(duì)的半圓形金屬板和半圓環(huán)形金屬板形成的電容容值的變化，求得傾角值。
[0014]一種同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量裝置，包括電容測(cè)量單元和傾角計(jì)算單元，所述電容測(cè)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:在一端呈開(kāi)口狀的圓柱體容器的開(kāi)口端密封裝配圓形絕緣基板，在圓柱體容器腔內(nèi)位于圓形絕緣基板里側(cè)面上配裝環(huán)形共面電容測(cè)頭；所述環(huán)形共面電容測(cè)頭由兩個(gè)半圓形金屬板和兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板構(gòu)成，其中兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板配置在兩個(gè)半圓形金屬板外側(cè)，且兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板與兩個(gè)半圓形金屬板共面同心，所述兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板沿周向均勻分布且與兩個(gè)半圓形金屬板一一對(duì)應(yīng)；四根電位引線依次分別將兩個(gè)半圓形金屬板、兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板與電容測(cè)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。
[0015]本發(fā)明具有以下特點(diǎn)及良好效果:
[0016](I)與電阻式傾角測(cè)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(zhǎng)期維持傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。
[0017](2)與靜電電容式傾角測(cè)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(cè)量范圍不受限制，具有360度全量程測(cè)量的特點(diǎn)。
[0018](3)由于圓形金屬板和外部圓環(huán)形金屬板均沿徑向二等分，得到的二份半圓形金屬板和二份半圓環(huán)形金屬板一一對(duì)應(yīng)，使得環(huán)形共面電容測(cè)頭的徑向分割線附近的電力線分布更加均勻，從原理上消除了由徑向分割所產(chǎn)生的微小誤差，測(cè)量結(jié)果更加精確。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量裝置的傳感器單元的外形透視圖
[0020]圖2為同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測(cè)頭的原理示意圖
[0021]圖3為同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測(cè)頭的正視圖
[0022]圖4為同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測(cè)頭傾斜時(shí)的說(shuō)明圖[0023]圖5為同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖
[0024]圖中件號(hào)說(shuō)明:I環(huán)形共面電容測(cè)頭、2、3半圓形金屬板、4、5半圓環(huán)形金屬板、6圓形絕緣基板、7圓柱體容器、8絕緣性液體、9、10、11、12電位引線、13傳感器單元、14電容測(cè)量單元、15傾角計(jì)算單元。
【具體實(shí)施方式】
[0025]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。
[0026]一種同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量裝置，包括傳感器單元13、電容測(cè)量單元14和傾角計(jì)算單元15，如圖5所示為傾角測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖1中示出傾角測(cè)量裝置的傳感器單元的外形透視圖，所述傳感器單元13的構(gòu)造是:在一端呈開(kāi)口狀的圓柱體容器7的開(kāi)口端密封裝配圓形絕緣基板6，在圓柱體容器7腔內(nèi)位于圓形絕緣基板6里側(cè)面上配裝環(huán)形共面電容測(cè)頭I ;所述環(huán)形共面電容測(cè)頭I由兩個(gè)半圓形金屬板2、3和兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板4、5構(gòu)成,其中兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板4、5配置在兩個(gè)半圓形金屬板2、3外側(cè),且兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板4、5與兩個(gè)半圓形金屬板2、3共面
同心，所述兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板4、5沿周向均勻分布且與兩個(gè)半圓形金屬板2、3--對(duì)應(yīng)；
四根電位引線9、10、11、12依次分別將兩個(gè)半圓形金屬板2、3、兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板4、5與電容測(cè)量單元14的輸入端連接；所述圓柱體容器7呈橫置，在所述圓柱體容器7內(nèi)密封注入占圓柱體容器7體積二分之一的絕緣性液體8。 [0028]所述的圓形絕緣基板6由樹(shù)脂玻纖材料制成。
[0029]所述的絕緣性液體8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。
[0030]一種同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量方法，該方法步驟如下:
[0031](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，且圓形金屬板和外部圓環(huán)形金屬板沿徑向二等分，分別得到二份半圓形金屬板和二份半圓環(huán)形金屬板，所述同一扇形角所對(duì)的半圓形金屬板和半圓環(huán)形金屬板形成電容，所述二份半圓形金屬板與二份半圓環(huán)形金屬板組合得到環(huán)形共面電容測(cè)頭。
[0032]參照附圖2，環(huán)形共面電容測(cè)頭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。
[0033]C = K.ε
[0034](2)將環(huán)形共面電容測(cè)頭垂直浸入到絕緣性液體中，絕緣性液體的液面通過(guò)環(huán)形共面電容測(cè)頭的中心，同一扇形角所對(duì)的半圓形金屬板和半圓環(huán)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(méi)在絕緣性液體中部分所對(duì)的扇形角共同決定。
[0035]圖3為傾角測(cè)量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測(cè)頭的正視圖，金屬板2、4所形成的電容和金屬板3、5所形成的電容可分別用下式表示。
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)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，且圓形金屬板和外部圓環(huán)形金屬板沿徑向二等分，分別得到二份半圓形金屬板和二份半圓環(huán)形金屬板，所述同一扇形角所對(duì)的半圓形金屬板和半圓環(huán)形金屬板形成電容，所述二份半圓形金屬板與二份半圓環(huán)形金屬板組合得到環(huán)形共面電容測(cè)頭； (2)、將環(huán)形共面電容測(cè)頭垂直浸入到絕緣性液體中，絕緣性液體的液面通過(guò)環(huán)形共面電容測(cè)頭的中心，同一扇形角所對(duì)的半圓形金屬板和半圓環(huán)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(méi)在絕緣性液體中部分所對(duì)的扇形角共同決定； (3)、上述環(huán)形共面電容測(cè)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，環(huán)形共面電容測(cè)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(méi)在絕緣性液體中部分所對(duì)的扇形角發(fā)生改變，測(cè)量上述同一扇形角所對(duì)的半圓形金屬板和半圓環(huán)形金屬板形成的電容容值的變化，求得傾角值。
2.—種同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量裝置，包括電容測(cè)量單元(14)和傾角計(jì)算單元(15)，所述電容測(cè)量單元(14)與傾角計(jì)算單元(15)連接；其特征在于:所述裝置還包括傳感器單元(13)，所述傳感器單元(13)的構(gòu)造是:在一端呈開(kāi)口狀的圓柱體容器(7)的開(kāi)口端密封裝配圓形絕緣基板(6)，在圓柱體容器(7)腔內(nèi)位于圓形絕緣基板(6)里側(cè)面上配裝環(huán)形共面電容測(cè)頭(I);所述環(huán)形共面電容測(cè)頭(I)由兩個(gè)半圓形金屬板(2,3)和兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板(4、5)構(gòu)成，其中兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板(4、5)配置在兩個(gè)半圓形金屬板(2、3)外側(cè) ，且兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板(4、5)與兩個(gè)半圓形金屬板(2、3)共面同心，所述兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板(4、5)沿周向均勻分布且與兩個(gè)半圓形金屬板(2、3) —一對(duì)應(yīng)；四根電位引線(9、10、11、12)依次分別將兩個(gè)半圓形金屬板(2、3)、兩個(gè)半圓環(huán)形金屬板(4、5)與電容測(cè)量單元(14)的輸入端連接；所述圓柱體容器(7)呈橫置，在所述圓柱體容器(7)內(nèi)密封注入占圓柱體容器(7)體積二分之一的絕緣性液體(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量裝置，其特征在于:所述的圓形絕緣基板(6)由樹(shù)脂玻纖材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同心共面二等分環(huán)-二等分圓嵌套極板傾角測(cè)量裝置，其特征在于:所述的絕緣性液體(8)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)】G01C9/00GK104034308SQ201410179253
【公開(kāi)日】2014年9月10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】胡鵬程, 譚久彬, 郭佳豪 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)