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單軸水平傳感器的制作方法

文檔序號(hào):6133404閱讀:538來源:國(guó)知局
專利名稱:?jiǎn)屋S水平傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種由密封在容器內(nèi)的液體和氣泡構(gòu)成的單軸水平傳感器,該傳感器可通過借助電信號(hào)檢測(cè)密封氣泡的位置進(jìn)而確定水平度,這種傳感器適用于自動(dòng)矯平機(jī)和自動(dòng)矯平裝置以及水平測(cè)量、角規(guī)、勘測(cè)儀、測(cè)量?jī)x、飛機(jī)、船舶、有軌車輛、汽車和其它需要高精度水平度的領(lǐng)域。
公知的這類單軸水平傳感器包括1)這些結(jié)構(gòu)中的一種結(jié)構(gòu)如圖5所示,其中把一個(gè)玻璃管g做成在一個(gè)軸向上彎曲的形狀,在管子的下部中央位置上設(shè)有共用電極板h,而在與上部中央相對(duì)稱的左右兩個(gè)位置上設(shè)置相反的電極板i,而且要將具有大表面張力的電解液j和氣泡k這樣密封在玻璃管g的內(nèi)部,即在能測(cè)得其角度的整個(gè)范圍內(nèi)使每個(gè)相反電極板i的一部分與氣泡k相接觸;2)在這些結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)中,是用光學(xué)方式來檢測(cè)氣泡在單軸傾斜氣泡管中的位置;3)在這些結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)中,用差動(dòng)變壓器來檢測(cè)感應(yīng)平衡的變化;和4)在這些結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)中,把與電容器尺寸相應(yīng)的輸出信號(hào)輸入到一個(gè)計(jì)算電路中并將其轉(zhuǎn)化成容器傾斜度和角度(如日本未經(jīng)審查的專利申請(qǐng)H.3-142315)。
上述1)中的單軸水平傳感器可用于傾斜角為零的水平姿態(tài)控制,但是由于電極板與電解液的接觸量很小,所以不僅對(duì)重復(fù)性(重復(fù)精度、滯后等)有影響,而且還會(huì)對(duì)利用使玻璃管稍微傾斜而不是軸向測(cè)量的結(jié)構(gòu)得出的結(jié)果有影響,由于傳感器周圍溫度變化而引起的電解液膨脹和收縮以及因電解液表面張力引起的接觸表面不穩(wěn)定而導(dǎo)致的電解液和電極板接觸量的變化是產(chǎn)生精度誤差和再現(xiàn)性誤差的原因,而且由于電解液的表面張力大而響應(yīng)速度低所以會(huì)出現(xiàn)氣泡破裂的危險(xiǎn)現(xiàn)象,其結(jié)果是產(chǎn)生振動(dòng)或類似現(xiàn)象,從而引起較大誤差,此外,這種結(jié)構(gòu)使得安裝困難,所有這些原因表明,使用上述結(jié)構(gòu)的傳感器存在不能確保高精度的問題。
在使用上述2)中所述單軸水平傳感器的情況下,傳感器會(huì)受到由于溫度變化而導(dǎo)致的氣泡形狀變形產(chǎn)生的誤差以及與光學(xué)傳感器有關(guān)的光學(xué)傳感器誤差的影響,3)和4)中的傳感器也存在需要解決的問題,例如它們與外部檢測(cè)裝置的相關(guān)程度很高且引起誤差的因素很多。
因此,本發(fā)明的目的是消除這些引起誤差的原因并提供一種具有高分辨率和再現(xiàn)性且能進(jìn)行穩(wěn)定檢測(cè)的單軸水平傳感器,利用該傳感器并借助于姿態(tài)控制能夠確保得到傾斜角為零的高水平度。
為了達(dá)到上述目的和其它目的,本發(fā)明的單軸水平傳感器具有這樣的結(jié)構(gòu),其中設(shè)置了由絕緣材料制成的不透液體的電極保持體,保持體內(nèi)是由環(huán)形壁形成的放置電解液的電極室和密封在其中的氣泡,環(huán)形壁的內(nèi)周壁表面具有較高的三維表面粗糙度而且是圓形表面,該表面是通過使一個(gè)預(yù)定半徑的圓弧線圍繞水平中軸轉(zhuǎn)動(dòng)而獲得的,圓弧線的圓心在其中心的豎直線上而且豎直線平分該圓弧線,水平中軸線與豎直線上的圓弧線半徑垂直相交,因此垂直于水平中軸線的任何截面都是圓形而且用密封端板封閉環(huán)形壁端部開口,共用電極在與豎直線相同的位置上徑向伸到電極室中而邊電極在相對(duì)水平中軸以共用電極為中心左右對(duì)稱的位置上以比共用電極大的高度徑向伸到電極室中,這些電極具有相同的表面積,電極室內(nèi)密封有氣泡和表面張力較小的電解液,電解液的混合比例應(yīng)使得在傳感器呈水平狀態(tài)時(shí)電極間阻抗為預(yù)定值,密封后的狀態(tài)為共用電極總是浸在電解液中并且不與氣泡相接觸,而當(dāng)傳感器為水平狀態(tài)時(shí),邊電極也不與氣泡相接觸。
由于上述結(jié)構(gòu)消除了誤差原因并提高了分辨率和再現(xiàn)性以及檢測(cè)穩(wěn)定性,所以該結(jié)構(gòu)是理想的,其結(jié)構(gòu)特征為,使用由低電離趨向的金屬材料例如18k(Au)制成的共用電極和邊電極,這些通過表面拋光后具有同等的表面積,此外還使用了用作為溶劑的純水、作為溶質(zhì)的硫酸鎂和作為溶液的無水甲醇或無水乙醇以使電極間阻抗為40~50kΩ的比例混合而成的電解液,這樣的混合比使得電解液具有較小的表面張力、較高的沸點(diǎn)和較低的冰點(diǎn),并使得電極室內(nèi)周壁表面的表面粗糙度為JIS Rmax0.2S或更低。但是本發(fā)明并不限于這種結(jié)構(gòu)。
在具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的單軸水平傳感器中,在共用電極(其在傾斜角為零(完全水平狀態(tài))的狀態(tài)下位于與電極室中心相連的豎直線上且處于內(nèi)周壁表面圓弧線的曲線中心上同時(shí)位于通過使圓弧線圍繞水平中心線轉(zhuǎn)動(dòng)而形成的彎曲表面之下)和處于其左右的邊電極中,共用電極總是浸在電解液中并且不與氣泡相接觸,而且當(dāng)處于水平狀態(tài)時(shí),邊電極也總是浸在具有較小表面張力且以使電極間阻抗為預(yù)定值的比例混合而成的電解液中,同時(shí)不與電解液中的氣泡相接觸,當(dāng)由于存在傾斜角而使氣泡沿形成電極室內(nèi)表面的彎曲表面移動(dòng)時(shí),電極間阻抗隨氣泡位置的變化而改變,這種變化可以直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并作為模擬角度信息信號(hào)輸出,在此基礎(chǔ)上可以控制馬達(dá)或類似的驅(qū)動(dòng)器使模擬信號(hào)為零,因此,使用該傳感器能夠精確地得到傾斜角為零的高水平度。
特別是,由于把電極室的內(nèi)壁做成其內(nèi)周壁表面為高三維表面粗糙度的環(huán)形壁而且其表面是通過使具有預(yù)定并徑的圓弧線繞水平中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)而得到的圓形表面,其中圓弧線的圓點(diǎn)是其中心豎直線上的一個(gè)點(diǎn),該豎直線平分圓弧線,而且水平中軸線與豎直線垂直相交,因此垂直于水平中軸線的任何截面都是圓形,所以相對(duì)于測(cè)量的傾斜度而不是單軸水平度而言,消除了測(cè)量誤差,而且由于共用電極總是浸在電解液中且不與氣泡相接觸和在水平狀態(tài)下邊電極也不與氣泡相接觸,因此可三維檢測(cè)因氣泡位置移動(dòng)而形成的電極間阻抗的變化并得到較大的角度信息輸出且極大地減小了由于周圍溫度變化引起電解液膨脹、收縮以及表面張力等物理變化而導(dǎo)致的輸出波動(dòng)誤差,從而能夠確保極高的精度和再現(xiàn)性。


圖1是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所述單軸水平傳感器縱向上的豎直剖面圖;圖2是沿圖1中的A-A線取下的剖面圖;圖3是單軸水平傳感器的側(cè)面圖;圖4與按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所述單軸水平傳感器一起使用的傳感器電路的電路圖;和圖5是表示傳統(tǒng)單軸水平傳感器一個(gè)實(shí)例的剖面圖。
圖1是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所述單軸水平傳感器S的縱向豎直剖面圖,圖2是沿圖1中線A-A取下的單軸水平傳感器S的剖面圖,圖3是單軸水平傳感器S的側(cè)面圖。單軸水平傳感器S由電極保持體1,共用電極2,兩個(gè)邊電極3和密封在電極保持體1內(nèi)部的電解液4和氣泡5構(gòu)成。
電極保持體1包括形成電極室的主體12,主體12是由絕緣材料聚碳酸酯制成的截面基本上為八面體的管形件,保持體1的兩端形成電極室11的開口和用聚碳酸酯制成的兩個(gè)密封端板13a,13b。
形成電極室的主體12內(nèi)的電極室內(nèi)壁表面是圓形表面,該表面是通過使大半徑100mm圓弧線AL圍繞水平中軸線H轉(zhuǎn)動(dòng)得到的,圓弧線AL的豎直線V上的點(diǎn)P為圓心,豎直線V穿過圓弧線AL的中心且平分圓弧線,中心軸線H與豎直線V上的圓弧線AL的半徑垂直相交,因此,如側(cè)視3中的虛線所示,在垂直于水平中軸線的任何截面上電極室11都是圓形的(最大部分的直徑為6mm),而且該內(nèi)壁表面的三維表面粗糙度是JIS Rmax0.2S或更小,在兩個(gè)端口上形成可安裝不透液密封端板13a,13b的平頭孔14。
在豎直線V穿過的位置上和以豎直線為中心左右對(duì)稱且低于水平中心軸線H的位置上分別在形成電極室的主體12上設(shè)置共用電極固定孔15和邊電極固定固定16,固定孔穿過水平底表面B與電極室11徑向連通,底表面B與包含水平中軸線H的水平面相平行并且作為八面體表面中的一個(gè)面,這樣便提高了它的水平精度。
把用聚碳酸酯制成的兩個(gè)密封端板13a,13b固定在形成電極室的主體12上的密封平頭孔14中,在端板13a上穿通地設(shè)置了用于注入電解液4和氣泡5的注入孔17,在注入電解液4和氣泡5之后把塞子18裝入注入孔17并通過焊接或類似方式對(duì)其進(jìn)行不透液式密封。
共用電極2和兩個(gè)邊電極3的直徑均是0.6mm,而且都用具有低電離傾向的金屬材料18K(Au)制成,它們的表面要進(jìn)行拋光處理;共用電極2伸到電極室11中的長(zhǎng)度為其總是浸在電解液4中但不與密封在電解液4中的氣泡5接觸,而邊電極3伸出的長(zhǎng)度為它們要盡可能地靠近電極室11直徑方向上的內(nèi)徑表面,把這些電極分別豎直固定在穿過形成電極室的主體12的水平底表面B設(shè)置的共用電極固定孔15和邊電極固定孔16中,這些電極的另一端部從水平底面B中伸出。
表面張力小、沸點(diǎn)高和冰點(diǎn)低的電解液4是用純凈水作為溶劑、 硫酸鎂作為溶質(zhì)和無水甲醇或無水乙醇作為溶液以電極間的阻抗為40-50KΩ的比例混合而成的;密封在電極室內(nèi)的電解液的量應(yīng)使得共用電極2總是浸在其中但不與密封的氣泡5相接觸,氣泡5要求的空氣量應(yīng)使得在水平狀態(tài)下邊電極3不與氣泡相接觸;電解液和氣泡都是通過注入孔17注入的,而且在它們注入之后用密封塞18對(duì)注入孔17進(jìn)行不透液式密封。
作為把上述優(yōu)選實(shí)施例中單軸水平傳感器S的氣泡5的位置直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置可以使用例如如圖4中所示的傳感器電路結(jié)構(gòu),其包括用振蕩器OSC從交流電中產(chǎn)生預(yù)定4 KH z基本脈沖的裝置,用分頻器F/F把基本脈沖按50%的效率分成2KHz,利用兩個(gè)反相脈沖的緩沖放大器SP1和緩沖放大器SP2把該脈沖加到本發(fā)明所述單軸水平傳感器S的邊電極3上,并從中得到信息,把從共用電極2上得到的信號(hào)送到信號(hào)放大電路AMP1,根據(jù)可變電阻VR1并通過具有零點(diǎn)漂移修正作用的放大電路AMP2把AMP1的輸出信號(hào)送到模擬開關(guān)MP,同時(shí)把來自分頻器F/F的同步信號(hào)送到模擬開關(guān),通過采樣和保持電路SH1把在模擬開關(guān)中同步的模擬信號(hào)送到放大器AMP3中,并從該放大器AMP3輸出與傾斜度相對(duì)應(yīng)的預(yù)定模擬信號(hào)。但是本發(fā)明并不限于此,很顯然可以用公知的轉(zhuǎn)換裝置來代替本發(fā)明的轉(zhuǎn)換裝置。
使用時(shí)可以把本發(fā)明的單軸水平傳感器固定到需要水平安裝的設(shè)備或裝置的平坦表面上,并利用與傳統(tǒng)方法相同的機(jī)械控制裝置,例如根據(jù)用信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)或驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)傾斜度的馬達(dá)并且把馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng),以此來改變傳感器安裝表面的傾斜度和對(duì)其進(jìn)行控制從而使得模擬信號(hào)變?yōu)榱?。如果使用兩個(gè)相互垂直交叉設(shè)置的本發(fā)明的單軸水平傳感器,還能夠得到用雙軸傳感器測(cè)得的水平度。
在具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的單軸水平傳感器中,由于在共用電極[其在傾斜角為零(完全水平狀態(tài))]的情況下,位于與電極室中心相連的豎直線和圓弧線彎曲中心上以及位于由圓弧線圍繞水平中軸轉(zhuǎn)動(dòng)而形成的圓形表面的彎曲表面之下)和處于共用電極左右的邊電極之間,共用電極總是浸在電解液中并且不與氣泡相接觸,而在水平狀態(tài)下不與氣泡相接觸的邊電極也總是浸在電解液中,所述電解液的表面張力很小且以使電極間的阻抗為預(yù)定值的比例混合而成,當(dāng)氣泡沿形成電極室內(nèi)表面的彎曲而移動(dòng)時(shí),由于存在傾斜,而使電極間阻抗隨氣泡的位置發(fā)生變化,該變化可直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并作為模擬角度信息信號(hào)輸出,機(jī)械控制裝置可利用該模擬信號(hào),在水平控制的基礎(chǔ)上調(diào)整模擬信號(hào)使傾斜角度為零(完全水平狀態(tài))并得到傾斜角度為零的高精度水平度。
特別是,由于把電極室的內(nèi)壁做成環(huán)形壁,該環(huán)形壁的內(nèi)周壁表面具有較高的三維表面粗糙度而且該表面是通過使一個(gè)具有預(yù)定半徑的圓弧線繞水平中軸轉(zhuǎn)動(dòng)而獲得的圓形表面,所說預(yù)定半徑的圓心是豎直線上的一個(gè)點(diǎn),該豎直線位于圓弧線的中心并平分圓弧線,水平中軸線與豎直線垂直相交,因此垂直于水平中軸的任何截面都是圓形,而且由于測(cè)量的是傾斜度而不是單軸水平度,所以可消除測(cè)量誤差,此外因?yàn)楣灿秒姌O總是浸在電解液中而且不與氣泡相接觸,同時(shí)在水平狀態(tài)下邊電極也不與氣泡相接觸,所以能夠立體地測(cè)出因氣泡位置移動(dòng)而引起的電極間阻抗的變化而且可獲得較高的角度信息輸出。
由于電解液是通過把作為溶劑的純凈水,作為溶質(zhì)的硫酸鎂和作為溶液的無水甲醇或無水乙醇以使電極間阻抗達(dá)到40-50KΩ的比例混合制成的,這樣使所使用的電解液具有小的表面張力、高沸點(diǎn)和低冰點(diǎn)且使電極室內(nèi)表面具有較高的三維表面粗糙度,由此極大地減小了因周圍溫度變化而引起的電解液膨脹、收縮和表面張力等物理變化所導(dǎo)致的輸出波動(dòng)誤差,從而能夠確保高精度和高再現(xiàn)性,而且能夠使裝有該傳感器的目標(biāo)裝置的姿態(tài)處于傾斜角為零(完全水平)的高精度狀態(tài)。
因此,可以提供一種價(jià)格合理的單軸水平傳感器,該傳感器理想地適用于自動(dòng)矯平機(jī)和矯平裝置,以及水平裝置、角度規(guī)、勘測(cè)儀、測(cè)量?jī)x、飛機(jī)、船舶、有軌車輛、汽車和其它需要高精度水平度的場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.一種單軸水平傳感器包括由絕緣材料制成的電極保持體和由環(huán)形壁構(gòu)成的電極室,電極室內(nèi)密封有電解液和氣泡,環(huán)形壁的內(nèi)周壁表面具有較高的三維表面粗糙度而且其表面為通過使具有預(yù)定半徑的圓弧線繞水平中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)而得到的圓形表面,圓弧線的圓點(diǎn)位于其中心的豎直線上,且該豎直線平分圓弧線,水平中軸線與豎直線上的圓弧線半徑垂直相交,所以垂直于水平中軸線的截面均為圓形,而且密封端極封閉環(huán)形壁的端部開口;和共用電極在與豎直線相同的位置上徑向伸入電極室而邊電極在以共用電極為中心沿水平中軸線左右對(duì)稱的位置上以比共用電極更大的高度徑向伸入電極室,這些電極以相等表面積分別從外部不透液地進(jìn)入電極保持體,其中當(dāng)傳感器處于水平狀態(tài)時(shí)將氣泡和表面張力較小且以使電極間阻抗為預(yù)定值的比例混合而成的電解液以這樣的狀態(tài)密封在電極室內(nèi),即使得共用電極總是浸在電解液中并且不與氣泡相接觸而且當(dāng)傳感器處于水平狀態(tài)時(shí),邊電極也不與氣泡相接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單軸水平傳感器,其中共用電極和邊電極都是用具有低電離傾向的金屬材料例如18k(Au)制成的而且通過表面拋光使其表面積相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單軸水平傳感器,其中電解液是以使電極間阻抗為40~50KΩ的比例通過混合作為溶劑的純凈水、作為溶質(zhì)的硫酸鎂和作為溶液的無水甲醇或無水乙醇制成的,因此提高了電解液的沸點(diǎn)并降低了冰點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的單軸水平傳感器,其中電極室內(nèi)周壁表面的表面粗糙度是JIS Rmax0.2S或更低。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的單軸水平傳感器,進(jìn)一步包括借助于振蕩器用交流電產(chǎn)生預(yù)定基礎(chǔ)脈沖的裝置,和將該脈沖分為50%效率脈沖的分頻器,利用緩沖放大器和反相脈沖放大器把該脈沖加到邊電極上并從中得到信息,把來自共用電極的信號(hào)送到放大電路,該放大電路的輸出經(jīng)過具有零點(diǎn)漂移修正功能的兩個(gè)放大電路送到模擬開關(guān)并把來自分頻器的同步信號(hào)送到模擬開關(guān),通過采樣和保持電路把在模擬開關(guān)中同步的模擬信號(hào)送到另一個(gè)放大器中,最后從該放大器輸出與傳感器傾斜度相應(yīng)的預(yù)定模擬信號(hào)。
全文摘要
一種單軸水平傳感器包括電極保持體形成有環(huán)形壁的電極室,環(huán)形壁內(nèi)周壁表面具有高三維表面粗糙度,其表面形狀為通過使用具有預(yù)定半徑的圓弧線圍繞水平中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)得的圓形表面,圓弧線以豎直線上的點(diǎn)作為其圓心且豎直線平分圓弧線,水平中心軸線與豎直線上的圓弧線半徑垂直相交;共用電極在與豎直線相同的位置上伸入電極室而邊電極從共用電極的兩側(cè)在左右對(duì)稱的位置中伸到電極室中,且在水平狀態(tài)下把氣泡和電解液密封在電極室內(nèi)。
文檔編號(hào)G01C9/36GK1167909SQ9710086
公開日1997年12月17日 申請(qǐng)日期1997年3月14日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月15日
發(fā)明者尾川英雄, 寺地憲久, 寺內(nèi)一秀 申請(qǐng)人:日商機(jī)器株式會(huì)社
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