专利名称：倾角传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种倾角传感器，特别是一种采用铁磁流体的倾角传感器。
背景技术：
工业生产及科学研究中常常需要测量工作系统相对于基准面的倾斜角度，因此倾 角传感器有着广泛的用途。按照不同的工作原理，倾角传感器可以分为液体摆式、固定摆式 和气体摆式。液体摆式的倾角传感器和绝大多数固定摆式倾角传感器可以独立使用，并且 稳态性能良好。气体摆式的倾角传感器受到很多因素的影响，因此很少使用。美国专利5908987给出了一种铁磁流体倾角传感器，它具有一个玻璃管，玻璃管 充有非磁性载液、一个小气泡和约半容器体积的铁磁流体，玻璃管的径向外周缠绕着感应 线圈。当玻璃管倾斜时，管内的铁磁流体在重力的作用移动，其外周缠绕的感应线圈产生感 应电流。但是这种传感器只能感应出铁磁流体沿玻璃管轴向的移动。在实际使用中，即使 没有任何倾斜，工作系统如突遇加速或减速，倾角传感器的感应线圈处也会产生类似于因 倾斜而产生的感应电流，因此在动态场合，这种倾角传感器无法分辨出传感器中铁磁流体 位移的原因是速度变化还是倾斜，因此这种倾角传感器的测量结果常常不准。为了能精确测量非稳态系统的倾斜角，目前的测量系统通常采用陀螺仪的方式或 双传感器的方式进行测量。美国专利4282933利用了双倾角传感器，并采用一定的算法，以 期排除加速度对倾斜角度测量的影响。若还要测量加速度，通常采用多传感器组合的方式， 即在一个封装的模块里包含有两种或多种不同类型的传感器，以区分加速度与倾斜角度， 获得好的动态性能。美国专利6691437给出一种倾角仪，包含了一个陀螺倾角传感器和一 个加速度传感器，以期得到倾斜角和加速度值。然而，这些倾角传感器的结构复杂，价格昂贵，不便于在现有的系统中使用，而且 只要其中任何一个传感器的失灵，就会导致整个测量系统失灵。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种可以消除加速度干扰、高精度的倾角传感器，且该倾角 传感器结构简单，只需对现有的某些倾角传感器略加改造，即可大大提高测量精度，而无增 加很多成本之虞。为实现上述目的，本发明提供了一种倾角传感器，它具有一个铁磁流体测量元 件，一个位移测量线圈单元和一个变形测量线圈单元。铁磁流体测量元件包括一根封闭管、 封装在封闭管中的非磁性载液和浸没于非磁性载液一种磁流体，且铁磁流体的密度大于非 磁性裁液的密度。位移测量线圈单元缠绕在封闭管中部的径向外周，用以测量铁磁流体的 位移量；变形测量线圈单元则沿封闭管外部轴向缠绕，用以测量铁磁流体的变形量。在本发明的一种具体实施方式
中，变形测量线圈单元为一个感测线圈。在本发明的再一种具体实施方式
中，位移测量线圈单元为一个感测线圈。在本发明的另一种具体实施方式
中，变形测量线圈单元为一个感应激励线圈组，它可以由一个差分感应线圈组和一个激励线圈组成。差分感应线圈组沿封闭管外部的轴向 并排缠绕；激励线圈则缠绕在差分感应线圈组的外侧。在发明的又一种具体实施方式
中，位移测量线圈单元也是一个感应激励线圈组， 它可以由一个差分感应线圈组和一个激励线圈组成。差分感应线圈组沿封闭管的径向外部 并排缠绕；激励线圈则缠绕在这个差分感应线圈组的外侧。本发明中，封闭管可采用玻璃管，封闭管内封装的非磁性载液可以为水。在本发明的倾角传感器中，由于采用了两个相互垂直的测量线圈单元，分别测量 封闭管中铁磁流体的位移量和变形量，所以既排除因加速而造成的倾斜角测量误差，提高 倾斜角的测量精度，同时也附带着测量加速度。同时，本发明的倾角传感器既无需使用多个测量管，更不必安装不同类型的传感 器，便可大大提高倾斜角的测量精度，制造安装方便，具有很高的信价比。在本发明的具体实施的一个具体实施方式
中，由于位移测量线圈单元和/或变形 测量线圈单元采用了感应激励线圈组，改变激励线圈的励磁电流的幅度可以改变倾角仪的 量程，励磁电流的幅 值增大，倾角仪的量程也相应的增大。另外，位移测量线圈单元中的感应线圈设置为并排缠绕的两个，可以更好地适应 不同的倾斜方向；而变形测量线圈中的感应线圈设置为并排缠绕的两个，则既可增大铁磁 流体变形测量的信号强度，又使倾角传感器的使用方向更具灵活性。本发明的倾角传感器与现有的固定摆式的倾角传感器相比，没有机械弹簧，轴承 等机械部件，也就不会产生由此而产生的机械磨损和机械疲劳等。
以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中图1是本发明的一种倾角传感器实施方式的结构示意图；图2是本发明另一实施方式的结构示意图；图3是图2所示的倾角传感器处于倾斜位置时的示意图；图4是图2所示的倾角传感器处于加速状态时的示意图；图5表示了图4所示的铁磁流体为稳态剪切应力流体时所产生变形的；图6是图5所示的铁磁流体的拉伸率与剪切应力之间关系的示意性曲线。
具体实施例方式为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照
本发 明的具体实施方式
，在各图中相同的标号表示相同的或类似的部分。本发明涉及一种可用于非稳态的高精度倾角传感器。图1是这种倾角传感器的一 种具体实施方式
的结构示意图。如图所示，该倾角传感器具有一个铁磁流体测量元件、一个 位移测量线圈单元3和一个变形测量线圈单元4。在图1所示铁磁流体测量元件包括一 根封闭管1、封闭管1内封装有非磁性载液和铁磁流体2，铁磁流体2浸没于封闭管1的非 磁性载液中。在图1所示的实施例中，位移测量线圈单元3为一个感测线圈，变形测量线圈 单元4也为一个感测线圈。为便于说明，在本文中，封闭管1长的方向定义为轴向，与该轴向垂直的方向定义为径向。在本发明的倾角传感器中，封闭管1可以由任意一种绝缘绝磁的材料制造，例如 玻璃，工程塑料等；封闭管1内充满了如水、异丙醇等不与铁磁流体2相融合的非磁性载液， 或是它们的混合物，且非磁性载液的比重要小于铁磁流体2的比重，以确保铁磁流体2沉没 于封闭管的底部。封闭管1中部的径向外周缠绕有位移测量线圈单元3，用以测量铁磁流体因倾斜 或加速而产生的位移量；在封闭管1轴向外部则缠绕有变形测量线圈单元4，用以测量铁磁 流体2因加速而产生的变形量。图2所示为本发明的另一种实施方式。在该实施方式中，位移测量线圈单元3为 一组感应激励线圈组，它包括一个差分感应线圈组和一个激励线圈32。差分感应线圈组包 括两个并排缠绕在封闭管1径向外周且匝数相同的感应线圈31，激励线圈32则缠绕在感应 线圈31的外侧。在图2所示的实施方式中，变形测量线圈单元4也是一组感应激励线圈组，它包括 一个差分感应线圈组和一个激励线圈42。差分感应线圈组包括两个并排缠绕在封闭管1径 向外周且匝数相同的感应线圈41，激励线圈42则缠绕在感应线圈41的外侧。当倾角传感器处于水平位置时，铁磁流体2大致位于位移测量线圈32的中部，位 移测量线圈单元3中根据铁磁流体2的位移量输出相应的电压。当倾角传感器如图3所示产生倾斜时，铁磁流体2偏离其初始位置，其位移量可使 铁磁流体2受到的磁力与其沿封闭管1轴向的重力分量达到平衡，此时位移测量线圈单元 3的输出电压改变，该输出电压是传感器倾斜角e的函数。为了简化对铁磁流体倾角传感器性能的描述，假定所用的铁磁流体2带有黏滞性 且不可压缩，封闭管1中封存的非磁性载液为水，则作用在铁磁流体2上的力包括磁力、水 阻力和惯性力，这些力应该保持平衡。根据物理学定律，作用在顺磁材料上的磁力为Fm=-VU = (B,V)m + (m1)B(1)其中U = m B表示磁磁场中铁磁流体颗粒的磁能量，m表示磁矩，B表示磁通密度。公式(1)中的磁矩m与磁场强度H呈如下的线性关系m = VxmH (2)其中xm表示磁化率，V表示铁磁流体的体积。则公式(1)可简化为Fm=Vxm{H -V)B.(3)如果在激励线圈的作用下产生了一个磁场，沿线圈主轴所产生的磁力为 其中Z表示力的计算点的坐标，如z = 0表示力的计算点位于线圈的中心，1表示激励线圈长度的一半，r是激励线圈32的半径，C表示由铁磁流体的磁化率Xm、体积V、渗透率y ^、激励电流Id。和激励线圈匝数n 确定的一个常数，其表示为C = ^-n2I2dcxmV.(5)尽管激励线圈32产生的磁力Fm与铁磁流体2的沿封闭管1轴向的位移量z非并 是线性的，但在一个较大的工作范围内存在着线性趋势，在存在线性趋势的范围内，磁力Fm 可以近似地表示为Fm^k(Idc)z (6)其中k表示弹性常量，Id。表示激励电流，z表示铁磁流体2相对于非倾斜的初始位置的位移量。另一方面，相对铁磁流体的不同位移量z，铁磁流体2受到的流体阻力可以由斯托 克斯定律算出Fh(z) = 67T ]Rz(t)(7)其中n表示水的黏滞性，R为铁磁流体的直径，表示铁磁流体2的速度。铁磁流体2沿封闭管1轴向的重力分量为Fg = V(pf-p1)g sin(6) (8)其中V表示铁磁流体2的体积p f是铁磁流体2的密度，p x是水的密度，g表示重力加速度，0为图3所示的倾角传感器的倾斜角。根据牛顿第二定律，综合考虑作用在铁磁流体2上的力，铁磁流体2的位移可以由 以下公式计算得出 pfVz{t) = Fm+Fh+Fg(9)如果假定初始的位置和速度为z (0) =0 ；i(0) = 0(10)当倾角传感器处于稳态时，公式(9)可以简化为Fm+Fg = 0 (11)
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如图3所示，如果此时倾斜角为0，铁磁流体2处于如图所示的平衡位置时，利用 方程(6)、⑶和(11)即可以得出倾角传感器的倾斜角e。但在另一种情况下，如果被测对象并未倾斜，而只是具有一个加速度，则如图4所 示，封闭管1中的铁磁流体2同样会偏离位移测量线圈单元3的中部，此时铁磁流体2不仅 会产生类似于稳态倾斜时的位移，而且铁磁流体2的形状还会产生不同于稳态倾斜时的变 形。图5所示为一个变形后的液体球的三维力学模型。为了降低对铁磁流体2变形分 析的复杂程度，假定铁磁流体2是一种为牛顿液体的铁磁流体，初始的形状为球形，并设封 装于封闭管1中的液体为剪切应力液体。根据Taylor和Cox的理论，被测对象遇有加速的 情形时，沿X轴的剪切力作用在球形的牛顿液体，导致这个液体球产生很大的变形，其上的 剪切应力和拉伸率可以由下述公式计算X = ( o /R) [ (1+ O / (1-ki O 2+ (1+ O / (l"k2 e ) 2_2]A=fe(g1+1)3 -54(g + l)8-l + 3V^(g + l)4V54(g + iF^ +]j-54(￡ + lf-l- 3 V6 +1)4 ^54(￡+1)8 + 2 + 6( ^+1)3 -1] 其中^表示液体球沿X轴的剪切应力，e表示液体球沿X轴的拉伸率，R表示液体球未变形前的曲率半径，o表示界面膜的界面张力系数为收缩系数。尽管在理论上，剪切应力T与拉伸率￡不是线性关系，但图6表明，在一个较大 的工作范围内，特别在图6所示曲线的实线部分，这两者之间趋于线性关系，因此在这个区 间，加速度a是剪切应力T的函数，即是拉伸率￡的函数。因此可以得出加速度a与拉伸 率e之间的关系。如图4所示，当倾角传感器处于水平时，令倾角传感器处于加速状态，铁磁流体2 既产生位移，也会在剪切应力的作用下产生与该加速度相应的变形，此时在变形测量线圈 单元4上会产生体现该变形量的输出信号，同时位移测量线圈单元3上也会因位移而产生 输出信号。在倾角传感器使用之初，可依此方法对倾角传感器进行校正确定在没有任何倾 斜角的情况下，变形测量线圈单元4的输出与加速度a的关系，进而确定加速度a与无倾斜 时铁磁流体2位移量的关系。在实际测量时，铁磁流体2沿封闭管1轴向总的位移量为ztol = zac(e)+zti(6) (15)其中Zt()1表示由位移测量线圈2测出的铁磁流体的位移量，zac(e)是因加速度而引起的铁磁流体2的位移量，zti(6)是仅因倾斜导致的铁磁流体2的位移量。
(12)
4 11
(13)
在本发明的倾角传感器测量过程中，根据位移测量线圈单元3的输出信号确定铁 磁流体2总的位移量zt()1，减去无倾斜仅有加速时铁磁流体2的位移量za。( O，即可根据方 程(16)计算出铁磁流体2仅因倾斜产生的位移量zti(0)，根据这个值可由方程(6)、(8) 和(11)得到准确的倾斜角e。由于在本发明的倾角传感器中带有两个相互垂直的测量线圈，分别测量封闭管1 的中铁磁流体2的位移量和变形量，因此，它既可以在测量倾斜角时排除因加速度而产生 的误差，精确测量非稳态系统的倾斜角，也可以测量根据需要一并确定系统的加速度。本发明的倾角传感器仅用一个铁磁流体传测量元件便可实现在各种状态下倾角 的精确测量，而不必同时使用多个铁磁流体测量元件，或是使用几种不同类型的传感器，即 可以消除非稳定状态下所造成的测量误差，在未大量增加成本和传感器复杂性的情况下， 却大大提高了测量精度。上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明， 它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更 均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
倾角传感器，具有一个铁磁流体测量元件，它包括一根封闭管，一种充满于该封闭管内的非磁性载液，和一种浸没于所述非磁性载液中的铁磁流体，该铁磁流体的密度大于所述非磁性裁液的密度；一个缠绕于所述封闭管中部径向外周的位移测量线圈单元，用以测量所述铁磁流体的位移量；其中，所述的倾角传感器还包括一个沿封闭管外部轴向缠绕的变形测量线圈单元，用以测量所述铁磁流体的变形量。
2.如权利要求1所述的倾角传感器，其中，所述的变形测量线圈单元为一个感测线圈。
3.如权利要求1或2所述的倾角传感器，其中，所述的位移测量线圈单元为一个感测线圈。
4.如权利要求1所述的倾角传感器，其中，所述的变形测量线圈单元为一个感应激励 线圈组，该线圈组包括一个并排缠绕在所述封闭管外部轴向的差分感应线圈组，和一个缠 绕在这个差分感应线圈组之外的一个激励线圈。
5.如权利要求1或4所述的倾角传感器，其中，所述的位移测量线圈单元为一个感应激 励线圈组，该线圈组包括一个并排缠绕在所述封闭管径向外周的差分感应线圈组，和一个 缠绕在这个差分感应线圈之外的一个激励线圈。
6.如权利要求5所述的倾角传感器，其中，所述封闭管为玻璃管，所述的非磁性载液为水。
全文摘要
本发明提供了一种倾角传感器，它具有一个铁磁流体测量元件，一个位移测量线圈单元和一个变形测量线圈单元。铁磁流体测量元件包括一根封闭管、封装在封闭管中的非磁性载液和浸没于非磁性载液一种铁磁流体。位移测量线圈单元缠绕在封闭管中部的径向外周，用以测量所述铁磁流体的位移量；变形测量线圈单元则沿封闭管外部轴向缠绕，用以测量铁磁流体的变形量。本发明的倾角传感器可以消除加速度干扰、高精度地测量倾斜角度，且该倾角传感器结构简单，只需对现有的某些倾角传感器略加改造，即可大大提高测量精度，而无增加很多成本之虞。
文档编号G01P15/105GK101876545SQ20091013586
公开日2010年11月3日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者张奇然, 杜昭辉, 林燕凌 申请人:西门子(中国)有限公司