同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量方法與裝置制造方法
【專利摘要】同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板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)形共面電容測頭由一個(gè)圓形金屬板、四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板和一個(gè)圓環(huán)形金屬板組成，六塊金屬板共面同心，四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板沿周向均勻分布，每一塊與圓形金屬板、圓環(huán)形金屬板形成電容，將此環(huán)形共面電容測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，電位引線將六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(jì)算單元連接；容器發(fā)生傾斜時(shí)，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】同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板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?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(jì)算出容器相對于內(nèi)部的液體表面的角度，進(jìn)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(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，開口用金屬圓板堵塞。將一對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(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，對其電容值的變化進(jìn)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(dāng)筒狀密閉容器發(fā)生的傾斜角度過大時(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(jì)了同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板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(shí)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(shí)現(xiàn):
[0010]一種同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量方法，所述方法步驟如下:
[0011](I)、將一個(gè)中心圓形金屬板、過渡圓環(huán)形金屬板和外部圓環(huán)形金屬板共面同心放置，且過渡圓環(huán)形金屬板沿徑向四等分，得到四份四分之一圓環(huán)形金屬板，所述每一份四分之一圓環(huán)形金屬板分別與中心圓形金屬板形成電容，所述每一份四分之一圓環(huán)形金屬板分別與外部圓環(huán)形金屬板形成電容，所述中心圓形金屬板與外部圓環(huán)形金屬板等電位接地，所述一個(gè)中心圓形金屬板、四份四分之一圓環(huán)形金屬板與外部圓環(huán)形金屬板組合得到環(huán)形共面電容測頭；
[0012](2)、將環(huán)形共面電容測頭垂直浸入到絕緣性液體中，絕緣性液體的液面通過環(huán)形共面電容測頭的中心，每一份四分之一圓環(huán)形金屬板與中心圓形金屬板形成的電容容值以及每一份四分之一圓環(huán)形金屬板與外部圓環(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)、上述環(huán)形共面電容測頭沿中心進(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，測量上述四分之一圓環(huán)形金屬板與中心圓形金屬板形成的電容容值以及上述四分之一圓環(huán)形金屬板與外部圓環(huán)形金屬板形成的電容容值的變化，求得傾角值。
[0014]一種同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量裝置，包括電容測量單元和傾角計(jì)算單元，所述電容測量單元與傾角計(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:在一端呈開口狀的圓柱體容器的開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)形共面電容測頭；所述環(huán)形共面電容測頭由一個(gè)圓形金屬板、四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板和一個(gè)圓環(huán)形金屬板構(gòu)成，其中四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板配置在一個(gè)圓形金屬板外側(cè)、一個(gè)圓環(huán)形金屬板里側(cè)，且四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板與一個(gè)圓形金屬板、一個(gè)圓環(huán)形金屬板共面同心，四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板沿周向均勻分布；六根電位引線依次分別將圓形金屬板、四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板、一個(gè)圓環(huán)形金屬板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。
[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。
[0017](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(diǎn)。
[0018](3)最外部的圓環(huán)形金屬板與中心圓形金屬板等電位接地并參與電容計(jì)算，等價(jià)于增大了中心圓形金屬板的面積，提高了傾角測量的靈敏度，同時(shí)對四份四分之一圓環(huán)形金屬板起到了電位保護(hù)作用，減少了外界對四分之一圓環(huán)形金屬板的干擾，使得測量結(jié)果更加精確。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量裝置的傳感器單元的外形透視圖
[0020]圖2為同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測頭的原理示意圖
[0021]圖3為同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測頭的正視圖
[0022]圖4為同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測頭傾斜時(shí)的說明圖
[0023]圖5為同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖
[0024]圖中件號說明:1環(huán)形共面電容測頭、2圓形金屬板、3、4、5、6四分之一圓環(huán)形金屬板、7圓環(huán)形金屬板、8圓形絕緣基板、9圓柱體容器、10絕緣性液體、11、12、13、14、15、16電位引線、17傳感器單元、18電容測量單元、19傾角計(jì)算單元。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0026]一種同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量裝置，包括傳感器單元17、電容測量單元18和傾角計(jì)算單元19，如圖5所示為傾角測量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]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17的構(gòu)造是:在一端呈開口狀的圓柱體容器9的開口端密封裝配圓形絕緣基板8，在圓柱體容器9腔內(nèi)位于圓形絕緣基板8里側(cè)面上配裝環(huán)形共面電容測頭I ;所述環(huán)形共面電容測頭I由一個(gè)圓形金屬板2、四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板3、4、5、6和一個(gè)圓環(huán)形金屬板7構(gòu)成,其中四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板3、4、5、6配置在一個(gè)圓形金屬板2外側(cè)、一個(gè)圓環(huán)形金屬板7里偵1J,且四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板3、4、5、6與一個(gè)圓形金屬板2、一個(gè)圓環(huán)形金屬板7共面同心，四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板3、4、5、6沿周向均勻分布；六根電位引線11、12、13、14、
15、16依次分別將圓形金屬板2、四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板3、4、5、6、一個(gè)圓環(huán)形金屬板7與電容測量單元18的輸入端連接；所述圓柱體容器9呈橫置，在所述圓柱體容器9內(nèi)密封注入占圓柱體容器9體積二分之一的絕緣性液體10。
[0028]所述的圓形絕緣基板8由樹脂玻纖材料制成。
[0029]所述的絕緣性液體10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]一種同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量方法，該方法步驟如下:
[0031](I)將一個(gè)中心圓形金屬板、過渡圓環(huán)形金屬板和外部圓環(huán)形金屬板共面同心放置，且過渡圓環(huán)形金屬板沿徑向四等分，得到四份四分之一圓環(huán)形金屬板，所述每一份四分之一圓環(huán)形金屬板分別與中心圓形金屬板形成電容，所述每一份四分之一圓環(huán)形金屬板分別與外部圓環(huán)形金屬板形成電容，所述中心圓形金屬板與外部圓環(huán)形金屬板等電位接地，所述一個(gè)中心圓形金屬板、四份四分之一圓環(huán)形金屬板與外部圓環(huán)形金屬板組合得到環(huán)形共面電容測頭。
[0032]參照附圖2，環(huán)形共面電容測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)形共面電容測頭垂直浸入到絕緣性液體中，絕緣性液體的液面通過環(huán)形共面電容測頭的中心，每一份四分之一圓環(huán)形金屬板與中心圓形金屬板形成的電容容值以及每一份四分之一圓環(huán)形金屬板與外部圓環(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。
[0035]圖3為傾角傳感裝置的傳感器單元中環(huán)形共面電容測頭的正視圖，金屬板2、3所形成的電容、金屬板2、4所形成的電容、金屬板2、5所形成的電容、金屬板2、6所形成的電容、金屬板3、7所形成的電容、金屬板4、7所形成的電容、金屬板5、7所形成的電容以及金屬板6、7所形成的電容可分別用下式表示。
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量方法，其特征在于:所述方法步驟如下: (1)、將一個(gè)中心圓形金屬板、過渡圓環(huán)形金屬板和外部圓環(huán)形金屬板共面同心放置，且過渡圓環(huán)形金屬板沿徑向四等分，得到四份四分之一圓環(huán)形金屬板，所述每一份四分之一圓環(huán)形金屬板分別與中心圓形金屬板形成電容，所述每一份四分之一圓環(huán)形金屬板分別與外部圓環(huán)形金屬板形成電容，所述中心圓形金屬板與外部圓環(huán)形金屬板等電位接地，所述一個(gè)中心圓形金屬板、四份四分之一圓環(huán)形金屬板與外部圓環(huán)形金屬板組合得到環(huán)形共面電容測頭； (2)、將環(huán)形共面電容測頭垂直浸入到絕緣性液體中，絕緣性液體的液面通過環(huán)形共面電容測頭的中心，每一份四分之一圓環(huán)形金屬板與中心圓形金屬板形成的電容容值以及每一份四分之一圓環(huán)形金屬板與外部圓環(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)、上述環(huán)形共面電容測頭沿中心進(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，測量上述四分之一圓環(huán)形金屬板與中心圓形金屬板形成的電容容值以及上述四分之一圓環(huán)形金屬板與外部圓環(huán)形金屬板形成的電容容值的變化,求得傾角值。
2.—種同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量裝置，包括電容測量單元(18)和傾角計(jì)算單元(19)，所述電容測量單元(18)與傾角計(jì)算單元(19)連接；其特征在于:所述裝置還包括傳感器單元(17)，所述傳感器單元(17)的構(gòu)造是:在一端呈開口狀的圓柱體容器(9)的開口端密封裝配圓形絕緣基板(8)，在圓柱體容器(9)腔內(nèi)位于圓形絕緣基板(8)里側(cè)面上配裝環(huán)形共面電容測頭(I);所述環(huán)形共面電容測頭(I)由一個(gè)圓形金屬板(2)、四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板(3、4、5、6)和一個(gè)圓環(huán)形金屬板(7)構(gòu)成，其中四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板(3、4、5、6)配置在一個(gè)圓形金屬板(2)外側(cè)、一個(gè)圓環(huán)形金屬板(7)里側(cè),且四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板(3、4、5、6)與一個(gè)圓形金屬板(2)、一個(gè)圓環(huán)形金屬板(7)共面同心，四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板(3、4、5、6)沿周向均勻分布；六根電位引線(11、12、13、14、15、16)依次分別將圓形金屬板(2)、四個(gè)四分之一圓環(huán)形金屬板(3、4、5、6)、一個(gè)圓環(huán)形金屬板(7)與電容測量單元(18)的輸入端連接；所述圓柱體容器(9)呈橫置，在所述圓柱體容器(9)內(nèi)密封注入占圓柱體容器(9)體積二分之一的絕緣性液體(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量裝置，其特征在于:所述的圓形絕緣基板(8)由樹脂玻纖材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同心共面環(huán)-四等分環(huán)-圓嵌套極板傾角測量裝置，其特征在于:所述的絕緣性液體(10)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】G01B7/30GK104006737SQ201410179312
【公開日】2014年8月27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】黃向東, 譚久彬, 楊記云 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)