本發(fā)明涉及一種傾角傳感器，主要涉及一種采用磁性液體的傾角傳感器。

背景技術(shù)：

隨著科技的不斷進(jìn)步，社會生產(chǎn)實(shí)踐中常常需要精確地測量工作平面相對于水平面的傾斜角度，例如高精度激光儀器調(diào)平、工程機(jī)械調(diào)平、大壩監(jiān)測、衛(wèi)星導(dǎo)彈的發(fā)射角度、飛行器飛行姿態(tài)等，因此傾角傳感器有著十分廣泛的應(yīng)用前景。目前工業(yè)上應(yīng)用的傾角傳感器可以分為“固體擺”、“液體擺”、“氣體擺”三種。相比于“固體擺”和；“液體擺”式傾角傳感器，“氣體擺”式傾角傳感器容易受到諸多因素的干擾，因此“氣體擺”式傾角傳感器的性能穩(wěn)定性差、實(shí)際應(yīng)用率低。相比與“液體擺”式傾角傳感器，“固體擺”傾角傳感器存在機(jī)械滯后以及磨損的問題。

現(xiàn)有一種磁性液體傳感器，它具有一個玻璃管，玻璃管充有非磁性載液和約半容器體積的磁性液體，玻璃管的徑向外周纏繞著激勵線圈、差分感應(yīng)線圈。激勵線圈產(chǎn)生磁場，磁化管內(nèi)的磁性液體，當(dāng)玻璃管傾斜時(shí)，磁性液體在重力的作用下移動，其外周纏繞的差分感應(yīng)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流是傳感器傾斜角的函數(shù)。由于該種傾角傳感器只能夠測量某一固定方向的傾斜角，實(shí)際使用中測量三維空間傾斜角需要至少兩個相互垂直放置的傾角傳感器才可以實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)傾斜角的測量，該傾角傳感器不能實(shí)現(xiàn)同步測量傾斜角和偏轉(zhuǎn)角；由于該種傳感器本身結(jié)構(gòu)的限制，傾角傳感器管內(nèi)磁性液體隨著傾斜角增加在重力作用下的移動越來越小，所以傾角傳感器的測量精度會隨著傾角的增加而降低，該傾角傳感器不能實(shí)現(xiàn)±180°全角度的測量；由于該種傳感器需要通過激勵線圈產(chǎn)生磁場，所以使用該傾角傳感器需要配備相應(yīng)的激勵電源，增加了傾角傳感器的使用難度和成本，通過差分感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)傾角信號到電信號的轉(zhuǎn)化，增加了傳感器的體積和重量，不便于在現(xiàn)有的系統(tǒng)中使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對當(dāng)前技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的為提供一種適用于三維空間內(nèi)±180°全角度、多方位測量的傾角傳感器。該傳感器通過磁性液體測量元件的設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有磁性液體傳感器測量方向固定單一、測量范圍窄等問題，該傳感器可以同步測量三維空間內(nèi)傾斜角和偏轉(zhuǎn)角并且測量范圍擴(kuò)展到±180°，顯著提高了測量系統(tǒng)的適用性與工作效率。該傳感器通過堆疊式永磁體的設(shè)計(jì)，解決了隨傾斜角變化磁感應(yīng)強(qiáng)度b變化率不均勻的問題，顯著地提高了傳感器的測量精度以及傳感器的穩(wěn)定性。該傳感器通過水平底座上指南針的設(shè)計(jì)，解決偏轉(zhuǎn)方向的參照物的問題，增加了偏轉(zhuǎn)方向角測量值的規(guī)范性。

本發(fā)明技術(shù)方案為：

一種磁性液體全方位水平傾角傳感器，該傳感器包括磁性液體測量元件、支架、水平底座和堆疊式永磁體；所述支架通過安裝孔固定在水平底座上；磁性液體測量元件安裝在支架上；所述堆疊式永磁體懸浮在磁性液體測量元件內(nèi)部的磁性液體中；所述水平底座由固定螺栓固定在待檢測面上；

所述磁性液體測量元件包括封閉球殼、隧道磁電阻(tmr)傳感器a、隧道磁電阻(tmr)傳感器b、隧道磁電阻(tmr)傳感器c、連接桿、連接環(huán)和磁性液體；封閉球殼內(nèi)裝有占球殼體積40％～50％的磁性液體和堆疊式永磁體，并通過連接桿與連接環(huán)相連接；4個連接桿均勻分布在封閉球殼水平方向最大圓周上，每個連接桿的一端垂直固定在球殼上；連接桿的另一端與連接環(huán)相連接，圓環(huán)狀的連接環(huán)在封閉球殼中部的最大圓周的外側(cè)；隧道磁電阻(tmr)傳感器b固定在封閉球殼外側(cè)的最底部，隧道磁電阻(tmr)傳感器a、隧道磁電阻(tmr)傳感器c分別位于封閉球殼水平方向最大圓周的外側(cè)，并且和球心在同一條直線上；

所述磁性液體是煤油基fe3o4磁性液體，按照體積比fe3o4：煤油＝8：92配制；四氧化三鐵為納米顆粒，直徑的范圍在2～20nm；

所述的堆疊式永磁體由3-5塊圓柱形永磁體以半徑從小到大的順序堆疊組成，圓柱永磁體的厚度相同，直徑最大的圓柱永磁體在最上方；軸向充磁的圓柱永磁體依靠相互之間的吸附力堆疊構(gòu)成一個整體；永磁體的中心軸線重合；所述的堆疊式永磁體優(yōu)選為由5塊圓柱形永磁體堆疊組成，五塊圓柱永磁體的厚度均為2mm，半徑依次為10mm、8mm、6mm、4mm、2mm；所述的封閉球殼的半徑為20mm。

支架為四根支腳，每根支腳包括半環(huán)形支柱、支柱a、調(diào)節(jié)柱、支柱b；所述半環(huán)形支柱用來支撐連接環(huán)，所述支柱b固定裝入水平底座相應(yīng)的支腳安裝孔中；支柱a的無螺紋端與半環(huán)形支柱的相連接，有螺紋端與調(diào)節(jié)柱相連接，調(diào)節(jié)柱的另一端與支柱b有螺紋端相連接。

磁性液體全方位水平傾角傳感器的水平底座包括四個支腳安裝孔，四個固定螺栓通孔，一個指南針安裝孔，孔內(nèi)安裝有指南針。

所述的磁性液體全方位水平傾角傳感器還包括a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微控處理器，每個隧道磁電阻(tmr)傳感器均與一個a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，三個a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器均與微控處理器相連。

所述的磁性液體全方位水平傾角傳感器的應(yīng)用方法，包括以下步驟：

(1)放置磁性液體全方位水平傾角傳感器，使其最下部的隧道磁電阻(tmr)傳感器軸測量方向與指南針?biāo)镜姆较虮币恢拢藭r(shí)通過固定螺栓將磁性液體全方位水平傾角傳感器固定在需要測量傾斜角和偏轉(zhuǎn)角的待測面上；

其中，球心o與隧道磁電阻(tmr)傳感器c1-4測量點(diǎn)的連接線為y軸，球心o與隧道磁電阻(tmr)傳感器b1-3測量點(diǎn)的連接線為z軸，x軸垂直于y、z軸組成的平面；

(2)轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)柱傾角傳感器調(diào)零：轉(zhuǎn)動四個支腳上的調(diào)節(jié)柱，使隧道磁電阻a、c處于同一條水平線，此時(shí)隧道磁電阻(tmr)傳感器a、c各自的的三個磁敏感軸方向上，三軸中對應(yīng)軸的輸出測量值相等；隧道磁電阻(tmr)傳感器b測量的總磁感應(yīng)強(qiáng)度bb等于895.7gs；實(shí)現(xiàn)磁性液體全方位水平傾角傳感器調(diào)零；

其中，所述三個隧道磁電阻(tmr)傳感器均具有軸、軸、軸三個相互垂直的測量方向，固定在球殼上的三個隧道磁電阻(tmr)傳感器軸與x軸方向一致，軸指向球殼的球心，軸垂直于軸、軸所在平面，且遵守右手定則；

(3)當(dāng)待測面傾斜后，靜置2～3分鐘，待傾角傳感器穩(wěn)定；

(4)采集隧道磁電阻(tmr)傳感器輸出電壓，計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度ba、bb、bc的大?。何⒖靥幚砥鱯tm32通過a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器ads1256，依次采集三個隧道磁電阻(tmr)傳感器的，共計(jì)九路差分輸出電壓信號；模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號，轉(zhuǎn)遞給微控處理器stm32；微控處理器stm32將九個數(shù)字差分輸出電壓，按照公式(1)vx＝k·bx，分別計(jì)算出三個隧道磁電阻(tmr)傳感器各自的方向的三個軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量bx、by、bz，然后再利用公式(2)計(jì)算出隧道磁電阻(tmr)傳感器a、b、c測量的三位置上的磁感應(yīng)強(qiáng)度ba、bb、bc；

其中，vx、bx、k分別為隧道磁電阻(tmr)傳感器軸向輸出電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度測量值，靈敏度；bx、by、bz為球殼上磁感應(yīng)強(qiáng)度b的三個分量；

(5)微控處理器stm32判斷磁感應(yīng)強(qiáng)度ba、bb、bc的大小關(guān)系，將其中的最大值代入公式(4)相應(yīng)的函數(shù)中，得出傾斜角θ并通過rs232串口線將結(jié)算結(jié)果發(fā)送到pc機(jī)顯示；

其中，θ為傾斜角；ba、bb、bc分別為隧道磁電阻(tmr)傳感器a、b、c三位置上的磁感應(yīng)強(qiáng)度測量值；

(6)微控處理器sim32完成傾斜角θ計(jì)算后，再將磁感應(yīng)強(qiáng)度ba、bb、bc中，最大值的兩個磁感應(yīng)強(qiáng)度分量by、bx，代入公式(6)相應(yīng)的函數(shù)中，解算偏轉(zhuǎn)角β通過rs232串口線將結(jié)算結(jié)果發(fā)送到pc機(jī)顯示；

其中，β為偏轉(zhuǎn)角；by、bx分別為三個磁感應(yīng)強(qiáng)度ba、bb、bc中最大值所對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量；

(7)兩個值都得到，測量結(jié)束。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明中磁性液體測量元件設(shè)計(jì)，不僅可以通過球殼結(jié)構(gòu)給內(nèi)部的磁性液體以及懸浮在其中的堆疊式永磁體，提供穩(wěn)定的不受外界因素的影響的環(huán)境，還給球殼外側(cè)固定的隧道磁電阻(tmr)傳感器提供了±180°全角度測量空間，可以使磁性液體全方位水平傳感器同時(shí)測量出三維空間內(nèi)的傾斜角和偏轉(zhuǎn)角，有效的簡化了三維空間內(nèi)傾斜角測量的過程，最大限度地?cái)U(kuò)展了傾角傳感器的量程，實(shí)現(xiàn)了在三維空間內(nèi)的全方位測量。

2、本發(fā)明中使用堆疊式永磁體激發(fā)磁場，首先，堆疊永磁體的設(shè)計(jì)解決了隨傾斜角變化磁感應(yīng)強(qiáng)度b變化率不均勻的問題，顯著了提高了傳感器的精度，當(dāng)傾斜角出現(xiàn)微小變化時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度b變化明顯。其次，不需要外加激勵源，簡化了使用傾角傳感器的操作過程，減小了傾角傳感器的結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有的磁性液體傾角傳感器相比，磁性液體全方位水平傾角傳感器操作步驟更加方便快捷。

3、本發(fā)明采用隧道磁電阻(tmr)傳感器測量磁感應(yīng)強(qiáng)度b的大小，來實(shí)現(xiàn)角度信號到電信號的轉(zhuǎn)化。隧道磁電阻(tmr)傳感器采用lga(4mm×4mm×2.5mm)的封裝形式，與差分感應(yīng)線圈相比體積小了很多。隧道磁電阻(tmr)傳感器具有很高的靈敏度，采用5v直流電源為其供電，其靈敏度k為5mv/gs。隧道磁電阻(tmr)傳感器可以精確的完成信號的采集，提升磁性液體全方位水平傳感器靈敏度精度，簡化傳感器整體結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明磁性液體全方位水平傾角傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明磁性液體全方位水平傾角傳感器的磁性液體測量元件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明磁性液體全方位水平傾角傳感器的磁性液體測量元件的豎直剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明磁性液體全方位水平傾角傳感器的堆疊式永磁體的一種實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明磁性液體全方位水平傾角傳感器的坐標(biāo)系建立示意圖；

圖6是本發(fā)明磁性液體全方位水平傾角傳感器的支腳的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明磁性液體全方位水平傾角傳感器的水平底座結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本發(fā)明磁性液體全方位水平傾角傳感器的磁性液體測量元件四分之一圓周內(nèi)傾斜角θ與磁感應(yīng)強(qiáng)度b之間函數(shù)關(guān)系曲線；

圖9是本發(fā)明磁性液體全方位水平傾角傳感器測量偏轉(zhuǎn)角的原理示意圖；

圖10是本發(fā)明磁性液體全方位水平傾角傳感器解算偏轉(zhuǎn)角示意圖；

圖中，1.磁性液體測量元件、2.支架、3.水平底座、4.堆疊式永磁體、1-1.封閉球殼、1-2.隧道磁電阻(tmr)傳感器a、1-3.隧道磁電阻(tmr)傳感器b、1-4.隧道磁電阻(tmr)傳感器c、1-5.連接桿、1-6.連接環(huán)、1-7.磁性液體、4-1.圓柱永磁體a、4-2.圓柱永磁體b、4-3.圓柱永磁體c、4-4.圓柱永磁體d、4-5.圓柱永磁體e、2-1.半環(huán)形支柱、2-2.支柱a、2-3.調(diào)節(jié)柱、2-4.支柱b、3-1.支腳a安裝孔、3-2.支腳b安裝孔、3-3.指南針安裝孔、3-4.支腳c安裝孔、3-5.支腳d安裝孔、3-6.固定螺栓通孔a、3-7.固定螺栓通孔b、3-8.固定螺栓通孔c、3-9.固定螺栓通孔d。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例及其附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳述：

如圖1所示，本發(fā)明磁性液體全方位水平傾角傳感器的整體結(jié)構(gòu)，包括磁性液體測量元件1、支架2、水平底座3和堆疊式永磁體4；所述支架2通過安裝孔固定在水平底座上；磁性液體測量元件1安裝在支架2上；所述堆疊式永磁體4懸浮在磁性液體測量元件1內(nèi)部的磁性液體中；所述水平底座3由固定螺栓固定在待檢測面上；

如圖2所示，所述磁性液體測量元件1包括封閉球殼1-1、隧道磁電阻(tmr)傳感器a1-2、隧道磁電阻(tmr)傳感器b1-3、隧道磁電阻(tmr)傳感器c1-4、連接桿1-5、連接環(huán)1-6和磁性液體1-7；外徑40mm的封閉球殼內(nèi)裝有占球殼體積40％～50％的磁性液體1-7和堆疊式永磁體4，并通過連接桿1-5與連接環(huán)1-6相連接；4個連接桿1-5均勻分布在封閉球殼1-1水平方向最大圓周上，每個連接桿1-5的一端垂直固定在球殼上；連接桿1-5的另一端與連接環(huán)1-6相連接，圓環(huán)狀的連接環(huán)1-6在封閉球殼1-1中部的最大圓周的外側(cè)；隧道磁電阻(tmr)傳感器b1-3固定在封閉球殼1-1外側(cè)的最底部，隧道磁電阻(tmr)傳感器a1-2、隧道磁電阻(tmr)傳感器c1-4分別位于封閉球殼1-1水平方向最大圓周的外側(cè)，并且二者和球心在同一條直線上；

如圖3所示，本發(fā)明磁性液體全方位水平傾角傳感器的磁性液體測量元件的豎直剖面結(jié)構(gòu)，包括封閉球殼1-1、隧道磁電阻(tmr)傳感器a1-2、隧道磁電阻(tmr)傳感器b1-3、隧道磁電阻(tmr)傳感器c1-4、堆疊式永磁體4、磁性液體1-7；所述磁性液體1-7是一種新型的功能材料，具體為一種煤油基fe3o4磁性液體，按照體積比fe3o4：煤油＝8：92配制，密度1.13g/cm³，粘度為3.25mpa·s，飽和磁化強(qiáng)度為381.5gs，四氧化三鐵為納米顆粒，直徑的范圍在2～20nm，其平均值為10nm。所述的煤油基fe3o4磁性液體有可以懸浮比其自身密度大的磁性物質(zhì)的特性，可以用來給堆疊式永磁體提供一個可相對重力方向靜止的懸浮環(huán)境；堆疊式永磁體4利用自身所激發(fā)的磁場和磁性液體提供的相對重力方向靜止的懸浮環(huán)境，為隧道磁電阻(tmr)傳感器提供一個可以測量的相對重力方向靜止的磁場。

所述的堆疊式永磁體4由3～5塊厚度相同的圓柱形永磁體以半徑從小到大的順序堆疊組成，其中，每塊圓柱形永磁體的厚度應(yīng)在0.05～0.14倍封閉球殼半徑范圍內(nèi)，堆疊式永磁體的總厚度應(yīng)在0.25～0.7倍的封閉球殼半徑范圍內(nèi)，圓柱形永磁體的半徑為0.05～0.6倍封閉球殼半徑范圍內(nèi)；如圖4所示，本發(fā)明磁性液體全方位水平傾角傳感器的堆疊式永磁體的一種實(shí)施方式，所述的封閉球殼半徑為20mm，堆疊式永磁體包括圓柱永磁體a4-1、圓柱永磁體b4-2、圓柱永磁體c4-3、圓柱永磁體d4-4、圓柱永磁體e4-5；五塊圓柱永磁體的厚度均為2mm，半徑依次為10mm、8mm、6mm、4mm、2mm；五塊軸向充磁的圓柱永磁體依靠相互之間的吸附力堆疊構(gòu)成一個整體；五塊永磁體的中心軸線重合。在上述具體實(shí)施例中永磁體最低點(diǎn)距離球殼最低點(diǎn)3mm。但是一般實(shí)施例中永磁體在磁性液體中的高度是任意的。

所述的磁性液體全方位水平傾角傳感器還包括a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微控處理器，所述的三個隧道磁電阻(tmr)傳感器組成相同，每個隧道磁電阻(tmr)傳感器均與一個a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，三個a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器均與微控處理器相連。

三個隧道磁電阻輸出的模擬電信號，依次由a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器ads1256轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，并傳送至微控處理器stm32進(jìn)行計(jì)算處理，微控處理器再通過rs232串口線將結(jié)算結(jié)果發(fā)送到pc機(jī)顯示。

所述隧道磁電阻(tmr)傳感器是一款市售公知電子器件，該傳感器具有三個相互垂直的磁敏感軸方向的線性磁傳感器，當(dāng)磁場的磁力線與磁敏感軸同向時(shí)，根據(jù)隧道磁電阻效應(yīng)有：

vx＝k·bx(1)

其中，vx、bx、k分別為隧道磁電阻(tmr)傳感器軸向輸出電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度測量值，靈敏度；球殼上的磁感應(yīng)強(qiáng)度b都可以分成三個相互垂直的分量bx、by、bz，具有：

根據(jù)這樣的關(guān)系，隧道磁電阻(tmr)傳感器可以測量球殼上的磁感應(yīng)強(qiáng)度b。本實(shí)施例中隧道磁電阻的靈敏度k為5mv/gs。

為了更好的說明球殼上三個隧道磁電阻(tmr)傳感器各自磁敏感軸的測量方向，建立如圖5所示的空間直角坐標(biāo)系，即以磁性液體測量元件1的球心o為空間直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，球心o與隧道磁電阻(tmr)傳感器c1-4測量點(diǎn)的連接線為y軸，球心o與隧道磁電阻(tmr)傳感器b1-3測量點(diǎn)的連接線為z軸，x軸垂直于y、z軸組成的平面；初始狀態(tài)隧道磁電阻(tmr)傳感器b1-3的測量方向軸與建立的坐標(biāo)系的方向一致；磁性液體測量元件1以x軸為中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°,此時(shí)隧道磁電阻(tmr)傳感器c1-4的測量方向軸與隧道磁電阻(tmr)傳感器b1-3的測量方向一致；磁性液體測量元件1以x軸為中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°,此時(shí)隧道磁電阻(tmr)傳感器a1-2的測量方向軸與隧道磁電阻(tmr)傳感器b1-3的測量方向一致。所述隧道磁電阻(tmr)傳感器具有軸、軸、軸三個相互垂直的測量方向，固定在球殼上的三個隧道磁電阻(tmr)傳感器軸與x軸方向一致，軸指向球殼的球心，軸垂直于軸、軸所在平面，且遵守右手定則；

支架2為四根支腳，每根支腳的結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括半環(huán)形支柱2-1、支柱a2-2、調(diào)節(jié)柱2-3、支柱b2-4；支柱a2-2的無螺紋端與半環(huán)形支柱2-1的相連接，有螺紋端與調(diào)節(jié)柱2-3相連接，調(diào)節(jié)柱2-3的另一端與支柱b2-4有螺紋端相連接。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)柱2-3時(shí)支柱a2-2向上運(yùn)動，從而調(diào)整磁性液體測量元件與水平底座的相對位置實(shí)現(xiàn)傾角傳感器調(diào)零的目的。支柱b2-4的一端與水平底座3相連接，固定裝入水平底座的支腳安裝通孔中。半環(huán)形支柱2-1的一端于連接環(huán)1-6相連接，起到支撐著磁性液體測量元件的作用；

如圖7所示，磁性液體全方位水平傾角傳感器的水平底座的結(jié)構(gòu)示意圖，包括四個支腳安裝孔，支腳a3-1、支腳b3-2、支腳c3-4、支腳d3-5，四個固定螺栓通孔，通孔a3-6、通孔b3-7、通孔c3-8、通孔d3-9，一個指南針安裝孔3-3，安裝孔3-3內(nèi)安裝有指南針。將支腳安裝到相應(yīng)的安裝孔內(nèi)，通過固定螺栓通孔把磁性液體全方位水平傾角傳感器的水平底座固定到待測面上，固定時(shí)需注意應(yīng)保證指南針?biāo)镜姆较虮迸c隧道磁電阻(tmr)傳感器b1-2軸測量方向一致。

如圖8所示，采用有限元的方法計(jì)算以球殼上以最低點(diǎn)為原點(diǎn)，間隔為0.4°，四分之一球殼外側(cè)范圍內(nèi)(如圖3中虛線所示)磁感應(yīng)強(qiáng)度b的大?。划?dāng)θ＝0時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度b最大，最大值為895.7gs；當(dāng)θ＝90°時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度b最小，最小值為143.3gs；采用多項(xiàng)式回歸分析法確定磁感應(yīng)強(qiáng)度b與傾斜角θ之間的函數(shù)關(guān)系式為：

b＝f(θ)＝877.927-14.713θ+0.075θ²(90°＞θ＞0°)(3)相關(guān)系數(shù)r-square＝0.99529,數(shù)據(jù)具有很高的相關(guān)度；據(jù)此公式可以計(jì)算傾斜角θ。

本發(fā)明的裝置可以測量三維空間內(nèi)的傾斜角θ和偏轉(zhuǎn)角β。下面分別介紹兩角度的測量解算過程。

本發(fā)明測量傾斜角θ(相對于空間直角坐標(biāo)系o內(nèi)z軸的角度)解算過程，根據(jù)隧道磁電阻(tmr)傳感器a1-2、b1-3、c1-4測量的三位置上的磁感應(yīng)強(qiáng)度ba、bb、bc，以及公式(3)，按照三個磁感應(yīng)強(qiáng)度ba、bb、bc大小關(guān)系確定計(jì)算函數(shù)，將其中最大值代入相應(yīng)的公式(4)，計(jì)算傾斜角θ。

本發(fā)明測量偏轉(zhuǎn)角β(相對于空間直角坐標(biāo)系o內(nèi)x軸的角度，即初始狀態(tài)下)解算過程，如圖9測量偏轉(zhuǎn)角β的原理示意圖所示，計(jì)算傾斜角θ時(shí)，利用了三個磁感應(yīng)強(qiáng)度ba、bb、bc中的最大值，將該最值的測量點(diǎn)以z軸為中心旋轉(zhuǎn)360°，就確定了其在球殼上可能的位置，該可能位置構(gòu)成一個圓心在z軸上的圓，如圖9中圓所示，直線垂直于圓面，垂足為點(diǎn)；測量點(diǎn)o1、o3、o4為圓與空間直角坐標(biāo)系內(nèi)xz、yz兩個軸面的交點(diǎn)，o2為o1與o3之間任意一點(diǎn)。隨著測量點(diǎn)不同，偏轉(zhuǎn)角β與隧道磁電阻(tmr)傳感器的三軸測量方向發(fā)生變化；由于堆疊式永磁體3-5產(chǎn)生的是對稱的磁場，軸與直線之間的夾角為傾斜角θ保持不變，所以圓上任意點(diǎn)對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度b大小都相等且均可分解為兩個恒定分量bxy、bz，如圖中對o1測量點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度b的分解所示。

如圖10所示，在平面內(nèi)對恒定分量bxy的合成與分解以及偏轉(zhuǎn)角β進(jìn)行詳細(xì)說明；其中b1、b2、b3、b4分別表示，在圓上o1、o2、o3、o4不同測量點(diǎn)位置的恒定分量bxy；恒定分量bxy在平面內(nèi)大小不變，但方向隨偏轉(zhuǎn)角β變化；初始狀態(tài)定義恒定分量bxy與軸同向，偏轉(zhuǎn)角β為恒定分量bxy與軸的夾角；通過對恒定分量bxy在o2測量點(diǎn)處b2進(jìn)行正交分解，可知此時(shí)偏轉(zhuǎn)角β為：

其中|by|和|bx|分別是球殼上磁感應(yīng)強(qiáng)度b在軸上分量的絕對值。把公式(5)推廣到適用于±180°全角度。

所述的磁性液體全方位水平傾角傳感器的應(yīng)用方法，包括以下步驟：

(1)放置磁性液體全方位水平傾角傳感器，使其最下部的隧道磁電阻(tmr)傳感器軸測量方向與指南針?biāo)镜姆较虮币恢?，此時(shí)通過固定螺栓將磁性液體全方位水平傾角傳感器固定在需要測量傾斜角和偏轉(zhuǎn)角的待測面上；

其中，球心o與隧道磁電阻(tmr)傳感器c1-4測量點(diǎn)的連接線為y軸，球心o與隧道磁電阻(tmr)傳感器b1-3測量點(diǎn)的連接線為z軸，x軸垂直于y、z軸組成的平面；

(2)轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)柱傾角傳感器調(diào)零：轉(zhuǎn)動四個支腳上的調(diào)節(jié)柱，使隧道磁電阻a、c處于同一條水平線，此時(shí)隧道磁電阻(tmr)傳感器a、c各自的的三個磁敏感軸方向上，三軸中對應(yīng)軸的輸出測量值相等；隧道磁電阻(tmr)傳感器b測量的總磁感應(yīng)強(qiáng)度bb等于895.7gs；實(shí)現(xiàn)磁性液體全方位水平傾角傳感器調(diào)零；

其中，所述三個隧道磁電阻(tmr)傳感器均具有軸、軸、軸三個相互垂直的測量方向，固定在球殼上的三個隧道磁電阻(tmr)傳感器軸與x軸方向一致，軸指向球殼的球心，軸垂直于軸、軸所在平面，且遵守右手定則；

(3)當(dāng)待測面傾斜后，靜置2～3分鐘，待傾角傳感器穩(wěn)定；

(4)采集隧道磁電阻(tmr)傳感器輸出電壓，計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度ba、bb、bc的大?。何⒖靥幚砥鱯tm32通過a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器ads1256，依次采集三個隧道磁電阻(tmr)傳感器的，共計(jì)九路差分輸出電壓信號；模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號，轉(zhuǎn)遞給微控處理器stm32；微控處理器stm32將九個數(shù)字差分輸出電壓，按照公式(1)vx＝k·bx，分別計(jì)算出三個隧道磁電阻(tmr)傳感器各自的方向的三個軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量bx、by、bz，然后再利用公式(2)計(jì)算出隧道磁電阻(tmr)傳感器a、b、c測量的三位置上的磁感應(yīng)強(qiáng)度ba、bb、bc；

其中，vx、bx、k分別為隧道磁電阻(tmr)傳感器軸向輸出電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度測量值，靈敏度；bx、by、bz為球殼上磁感應(yīng)強(qiáng)度b的三個分量；

(5)微控處理器stm32判斷磁感應(yīng)強(qiáng)度ba、bb、bc的大小關(guān)系，將其中的最大值代入公式(4)相應(yīng)的函數(shù)中，得出傾斜角θ并通過rs232串口線將結(jié)算結(jié)果發(fā)送到pc機(jī)顯示；

其中，θ為傾斜角；ba、bb、bc分別為隧道磁電阻(tmr)傳感器a、b、c三位置上的磁感應(yīng)強(qiáng)度測量值；

(6)微控處理器sim32完成傾斜角θ計(jì)算后，再將磁感應(yīng)強(qiáng)度ba、bb、bc中，最大值的兩個磁感應(yīng)強(qiáng)度分量by、bx，代入公式(6)相應(yīng)的函數(shù)中，解算偏轉(zhuǎn)角β通過rs232串口線將結(jié)算結(jié)果發(fā)送到pc機(jī)顯示；

其中，β為偏轉(zhuǎn)角；by、bx分別為三個磁感應(yīng)強(qiáng)度ba、bb、bc中最大值所對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量；

(7)兩個值都得到，測量結(jié)束。

需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實(shí)施方式中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本申請權(quán)利要求保護(hù)的范圍。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。