成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯放置式傾角測量方法與裝置制造方法
【專利摘要】成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯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)形共面電容測頭由三個三分之一圓形金屬板和三個三分之一圓環(huán)形金屬板組成，六塊金屬板共面同心，同一扇形角所對的三分之一圓形金屬板和三分之一圓環(huán)形金屬板形成電容，將兩個上述環(huán)形共面電容測頭安置于兩個圓形絕緣基板上，兩個圓形絕緣基板作為圓柱體容器的兩底面，并將圓柱體容器橫置，容器中密封注入體積1/2的絕緣性液體，電位引線將十二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算單元連接；容器發(fā)生傾斜時，兩個環(huán)形共面電容測頭與絕緣性液體的相對位置發(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】成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯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狀態(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，計算出容器相對于內(nèi)部的液體表面的角度，進而來測定容器的傾斜角。
[0003]對于檢測容器與其內(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號公報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。將一對金屬電極貫通并固定于圓板。當容器傾斜時，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)平行的兩個側(cè)面上放置板狀主電極，其表面有硅氧化覆蓋膜，充當電介質(zhì)。當容器傾斜時，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，對其電容值的變化進行測量，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，當筒狀密閉容器發(fā)生的傾斜角度過大時，容器內(nèi)部的液體偏置一側(cè)而失去與另一個主電極的接觸，此時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)計了成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯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)方案實現(xiàn):
[0010]一種成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯放置式傾角測量方法，所述方法步驟如下:[0011](I)、將一個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)形金屬板沿徑向三等分，分別得到三份三分之一圓形金屬板和三份三分之一圓環(huán)形金屬板，所述同一扇形角所對的三分之一圓形金屬板和三分之一圓環(huán)形金屬板形成電容，所述三份三分之一圓形金屬板與三份三分之一圓環(huán)形金屬板組合得到環(huán)形共面電容測頭；
[0012](2)、將兩個上述環(huán)形共面電容測頭垂直浸入到絕緣性液體中，兩個環(huán)形共面電容測頭共軸相向放置，且兩個環(huán)形共面電容測頭的三分之一圓形金屬板和三分之一圓環(huán)形金屬板均交錯分布，絕緣性液體的液面通過兩個環(huán)形共面電容測頭的中心，同一扇形角所對的三分之一圓形金屬板和三分之一圓環(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的扇形角和浸沒在絕緣性液體中部分所對的扇形角共同決定；
[0013](3)、上述兩個環(huán)形共面電容測頭沿中心進行圓周旋轉(zhuǎn)時，其傾角發(fā)生改變，絕緣性液體的液面保持水平，兩個環(huán)形共面電容測頭與絕緣性液體的相對位置發(fā)生變化，各極板裸露在空氣中部分所對的扇形角和浸沒在絕緣性液體中部分所對的扇形角發(fā)生改變，測量上述同一扇形角所對的三分之一圓形金屬板和三分之一圓環(huán)形金屬板形成的電容容值的變化，求得傾角值；
[0014](4)、上述兩個環(huán)形共面電容測頭沿中心進行圓周旋轉(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，取另一環(huán)形共面電容測頭所得的計算結(jié)果作為最終傾角計算結(jié)果。 [0015]一種成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯放置式傾角測量裝置，包括電容測量單元和傾角計算單元，所述電容測量單元與傾角計算單元連接；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圓形絕緣基板，在圓柱體容器腔內(nèi)位于兩個圓形絕緣基板里側(cè)面上分別配裝兩個環(huán)形共面電容測頭A、B ;所述環(huán)形共面電容測頭A由三個三分之一圓形金屬板a、b、c和三個三分之一圓環(huán)形金屬板d、e、f構(gòu)成，其中三個三分之一圓環(huán)形金屬板d、e、f配置在三個三分之一圓形金屬板a、b、c外側(cè),且三個三分之一圓環(huán)形金屬板d、e、f與三個三分之一圓形金屬板a、b、c共面同心,所述三個三分之一圓環(huán)形金屬板d、e、f沿周向均勻分布且與三個
三分之一圓形金屬板a、b、c--對應(yīng)；所述環(huán)形共面電容測頭B由三個三分之一圓形金屬
板g、h、i和三個三分之一圓環(huán)形金屬板j、k、I構(gòu)成,其中三個三分之一圓環(huán)形金屬板j、k、I配置在三個三分之一圓形金屬板g、h、i外側(cè),且三個三分之一圓環(huán)形金屬板j、k、I與三個三分之一圓形金屬板g、h、i共面同心，所述三個三分之一圓環(huán)形金屬板j、k、l沿周向均勻分布且與三個三分之一圓形金屬板g、h、i 一一對應(yīng)；所述環(huán)形共面電容測頭A的三個三分之一圓形金屬板a、b、c和環(huán)形共面電容測頭B的三個三分之一圓形金屬板g、h、i交錯分布，所述環(huán)形共面電容測頭A的三個三分之一圓環(huán)形金屬板d、e、f和環(huán)形共面電容測頭B的三個三分之一圓環(huán)形金屬板j、k、I交錯分布；十二根電位引線依次分別將三個三分之一圓形金屬板a、b、C、三個三分之一圓環(huán)形金屬板d、e、f和三個三分之一圓形金屬板g、
h、1、三個三分之一圓環(huán)形金屬板j、k、l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。
[0019](3)由于圓形金屬板和外部圓環(huán)形金屬板均沿徑向三等分，得到的三份三分之一圓形金屬板和三份三分之一圓環(huán)形金屬板一一對應(yīng)，使得環(huán)形共面電容測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，測量結(jié)果更加精確。
[0020](4)由于使用了共軸相向放置的兩個環(huán)形共面電容測頭，且兩個環(huán)形共面電容測頭的三分之一圓形金屬板和三分之一圓環(huán)形金屬板均交錯分布，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】
[0021]圖1為成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯放置式傾角測量裝置的傳感器單元的外形透視圖
[0022]圖2為成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯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
[0023]圖3為成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯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
[0024]圖4為成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯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
[0025]圖5為成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯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
[0026]圖6為成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯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傾斜時的說明圖
[0027]圖7為成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯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傾斜時的說明圖
[0028]圖8為成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯放置式傾角測量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖
[0029]圖中件號說明:1環(huán)形共面電容測頭A、2三分之一圓形金屬板a、3三分之一圓形金屬板b、4三分之一圓形金屬板C、5三分之一圓環(huán)形金屬板d、6三分之一圓環(huán)形金屬板e、7三分之一圓環(huán)形金屬板f、8圓形絕緣基板、9環(huán)形共面電容測頭B、10三分之一圓形金屬板g、ll三分之一圓形金屬板h、12三分之一圓形金屬板1、13三分之一圓環(huán)形金屬板j、14三分之一圓環(huán)形金屬板k、15三分之一圓環(huán)形金屬板1、16圓形絕緣基板、17圓柱體容器、18絕緣性液體、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30電位引線、31傳感器單元、32電容測量單元、33傾角計算單元。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行詳細描述。[0031]一種成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯放置式傾角測量裝置，包括傳感器單元31、電容測量單元32和傾角計算單元33，如圖8所示為傾角測量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]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31的構(gòu)造是:在兩端呈開口狀的圓柱體容器17的兩開口端分別密封裝配兩個圓形絕緣基板8、16，在圓柱體容器17腔內(nèi)位于兩個圓形絕緣基板8、16里側(cè)面上分別配裝兩個環(huán)形共面電容測頭AUB9 ;所述環(huán)形共面電容測頭Al由三個三分之一圓形金屬板a2、b3、c4和三個三分之一圓環(huán)形金屬板d5、e6、f7構(gòu)成，其中三個三分之一圓環(huán)形金屬板d5、e6、f7配置在三個三分之一圓形金屬板a2、b3、c4外側(cè),且三個三分之一圓環(huán)形金屬板d5、e6、f7與三個三分之一圓形金屬板a2、b3、c4共面同心,所述三個三分之一圓環(huán)形金屬板d5、e6、f7沿周向均勻分布且與三個三分之一圓形金屬板a2、b3、c4——對應(yīng)；所述環(huán)形共面電容測頭B9由三個三分之一圓形金屬板gl0、hll、il2和三個三分之一圓環(huán)形金屬板jl3、kl4、115構(gòu)成，其中三個三分之一圓環(huán)形金屬板jl3、kl4、115配置在三個三分之一圓形金屬板glO、hll、?12外偵牝且三個三分之一圓環(huán)形金屬板jl3、kl4、115與三個三分之一圓形金屬板gl0、hll、?12共面同心，所述三個三分之一圓環(huán)形金屬板jl3、kl4、115沿周向均勻分布且與三個三分之一圓形金屬板gl0、hll、il2—一對應(yīng)；所述環(huán)形共面電容測頭Al的三個三分之一圓形金屬板a2、b3、c4和環(huán)形共面電容測頭B9的三個三分之一圓形金屬板gl0、hll、il2交錯分布，所述環(huán)形共面電容測頭Al的三個三分之一圓環(huán)形金屬板d5、e6、f7和環(huán)形共面電容測頭B9的三個三分之一圓環(huán)形金屬板jl3、kl4、115交錯分布；十二根電位引線19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30依次分別將三個三分之一圓形金屬板a2、b3、c4、三個三分之一圓環(huán)形金屬板d5、e6、f7和三個三分之一圓形金屬板gl0、hll、il2、三個三分之一圓環(huán)形金屬板jl3、kl4、115與電容測量單元32的輸入端連接；所述圓柱體容器17呈橫置，在所述圓柱體容器17內(nèi)密封注入占圓柱體容器17體積二分之一的絕緣性液體18。 [0033]所述的圓形絕緣基板8、16由樹脂玻纖材料制成。
[0034]所述的絕緣性液體18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。
[0035]一種成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯放置式傾角測量方法，該方法步驟如下:
[0036](I)將一個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)形金屬板沿徑向三等分，分別得到三份三分之一圓形金屬板和三份三分之一圓環(huán)形金屬板，所述同一扇形角所對的三分之一圓形金屬板和三分之一圓環(huán)形金屬板形成電容，所述三份三分之一圓形金屬板與三份三分之一圓環(huán)形金屬板組合得到環(huán)形共面電容測頭。
[0037]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。
[0038]C = K.ε
[0039](2)將兩個上述環(huán)形共面電容測頭垂直浸入到絕緣性液體中，兩個環(huán)形共面電容測頭共軸相向放置，且兩個環(huán)形共面電容測頭的三分之一圓形金屬板和三分之一圓環(huán)形金屬板均交錯分布，絕緣性液體的液面通過兩個環(huán)形共面電容測頭的中心，同一扇形角所對的三分之一圓形金屬板和三分之一圓環(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的扇形角和浸沒在絕緣性液體中部分所對的扇形角共同決定。
[0040]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、5所形成的電容和金屬板3、6所形成的電容以及金屬板4、7所形成的電容可分別用下式表
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【權(quán)利要求】
1.一種成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯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)形金屬板沿徑向三等分，分別得到三份三分之一圓形金屬板和三份三分之一圓環(huán)形金屬板，所述同一扇形角所對的三分之一圓形金屬板和三分之一圓環(huán)形金屬板形成電容，所述三份三分之一圓形金屬板與三份三分之一圓環(huán)形金屬板組合得到環(huán)形共面電容測頭； (2)、將兩個上述環(huán)形共面電容測頭垂直浸入到絕緣性液體中，兩個環(huán)形共面電容測頭共軸相向放置，且兩個環(huán)形共面電容測頭的三分之一圓形金屬板和三分之一圓環(huán)形金屬板均交錯分布，絕緣性液體的液面通過兩個環(huán)形共面電容測頭的中心，同一扇形角所對的三分之一圓形金屬板和三分之一圓環(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的扇形角和浸沒在絕緣性液體中部分所對的扇形角共同決定； (3)、上述兩個環(huán)形共面電容測頭沿中心進行圓周旋轉(zhuǎn)時，其傾角發(fā)生改變，絕緣性液體的液面保持水平，兩個環(huán)形共面電容測頭與絕緣性液體的相對位置發(fā)生變化，各極板裸露在空氣中部分所對的扇形角和浸沒在絕緣性液體中部分所對的扇形角發(fā)生改變，測量上述同一扇形角所對的三分之一圓形金屬板和三分之一圓環(huán)形金屬板形成的電容容值的變化，求得傾角值； (4)、上述兩個環(huán)形共面電容測頭沿中心進行圓周旋轉(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，取另一環(huán)形共面電容測頭所得的計算結(jié)果作為最終傾角計晳奸里
2.一種成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯放置式傾角測量裝置，包括電容測量單元(32)和傾角計算單元(33)，所述電容測量單元(32)與傾角計算單元(33)連接；其特征在于:所述裝置還包括傳感器單元(31)，所述傳感器單元(31)的構(gòu)造是:在兩端呈開口狀的圓柱體容器(17)的兩開口端分別密封裝配兩個圓形絕緣基板(8、16)，在圓柱體容器(17)腔內(nèi)位于兩個圓形絕緣基板(8、16)里側(cè)面上分別配裝兩個環(huán)形共面電容測頭A、B(l、9);所述環(huán)形共面電容測頭A(I)由三個三分之一圓形金屬板a、b、c(2、3、4)和三個三分之一圓環(huán)形金屬板d、e、f (5、6、7)構(gòu)成,其中三個三分之一圓環(huán)形金屬板d、e、f (5、6、7)配置在三個三分之一圓形金屬板a、b、c (2、3、4)外側(cè),且三個三分之一圓環(huán)形金屬板d、e、f(5、6、7)與三個三分之一圓形金屬板a、b、c(2、3、4)共面同心，所述三個三分之一圓環(huán)形金屬板d、e、f (5、6、7)沿周向均勻分布且與三個三分之一圓形金屬板a、b、c (2、3、4)--對應(yīng)；所述環(huán)形共面電容測頭B (9)由三個三分之一圓形金屬板g、h、i (10、11、12)和三個三分之一圓環(huán)形金屬板j、k、I (13、14、15)構(gòu)成,其中三個三分之一圓環(huán)形金屬板j、k、I (13、。14,15)配置在三個三分之一圓形金屬板g、h、i(10、ll、12)外側(cè)，且三個三分之一圓環(huán)形金屬板j、k、l(13、14、15)與三個三分之一圓形金屬板g、h、i(10、ll、12)共面同心，所述三個三分之一圓環(huán)形金屬板j、k、1(13、14、15)沿周向均勻分布且與三個三分之一圓形金屬板g、h、i(10、ll、12) —一對應(yīng)；所述環(huán)形共面電容測頭A(I)的三個三分之一圓形金屬板a、b、c(2、3、4)和環(huán)形共面電容測頭B(9)的三個三分之一圓形金屬板g、h、i(10、ll、12)交錯分布，所述環(huán)形共面電容測頭A(I)的三個三分之一圓環(huán)形金屬板d、e、f(5、6、7)和環(huán)形共面電容測頭B(9)的三個三分之一圓環(huán)形金屬板j、k、1(13、14、15)交錯分布；十二根電位引線(19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30)依次分別將三個三分之一圓形金屬板a、b、c (2、3、4)、三個三分之一圓環(huán)形金屬板d、e、f (5、6、7)和三個三分之一圓形金屬板g、h、.1(10、11、12)、三個三分之一圓環(huán)形金屬板」、1^、1(13、14、15)與電容測量單元(32)的輸入端連接；所述圓柱體容器(17)呈橫置，在所述圓柱體容器(17)內(nèi)密封注入占圓柱體容器(17)體積二分之一的絕緣性液體(18)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯放置式傾角測量裝置，其特征在于:所述的圓形絕緣基板(8、16)由樹脂玻纖材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成對三等分環(huán)-三等分圓嵌套極板相向交錯放置式傾角測量裝置，其特征在于:所述的絕緣性液體(18)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】G01C9/20GK104034312SQ201410179269
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】楊記云, 黃向東, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)