快速回归型磁性液体全方位水平倾角传感器的制作方法

本发明涉及一种倾角传感器，主要涉及一种快速回归型磁性液体全方位水平倾角传感器。

背景技术：

随着科技的不断进步，社会生产实践中常常需要精确地测量工作平面相对于水平面的倾斜角度，例如高精度激光仪器调平、工程机械调平、大坝监测、卫星导弹的发射角度、飞行器飞行姿态等，因此倾角传感器有着十分广泛的应用前景。目前工业上应用的倾角传感器可以分为“固体摆”、“液体摆”、“气体摆”三种。相比于“固体摆”和“液体摆”式倾角传感器，“气体摆”式倾角传感器容易受到诸多因素的干扰，因此“气体摆”式倾角传感器的性能稳定性差、实际应用率低。相比与“液体摆”式倾角传感器，“固体摆”倾角传感器存在机械滞后以及磨损的问题。

现有一种磁性液体传感器，它具有一个玻璃管，玻璃管充有非磁性载液和约半容器体积的磁性液体，玻璃管的径向外周缠绕着激励线圈、差分感应线圈。激励线圈产生磁场，磁化管内的磁性液体，当玻璃管倾斜时，磁性液体在重力的作用下移动，其外周缠绕的差分感应线圈产生感应电流。该电流是传感器倾斜角的函数。由于该种倾角传感器只能够测量某一固定方向的倾斜角，实际使用中测量三维空间倾斜角需要至少两个相互垂直放置的倾角传感器才可以实现三维空间内倾斜角的测量，该倾角传感器不能实现同步测量倾斜角和偏转角；由于该种传感器本身结构的限制，倾角传感器管内磁性液体随着倾斜角增加在重力作用下的移动越来越小，所以倾角传感器的测量精度会随着倾角的增加而降低，该倾角传感器不能实现±180°全角度的测量；由于该种传感器需要通过激励线圈产生磁场，所以使用该倾角传感器需要配备相应的激励电源，增加了倾角传感器的使用难度和成本，通过差分感应线圈实现倾角信号到电信号的转化，增加了传感器的体积和重量，不便于在现有的系统中使用。

技术实现要素：

针对当前技术中存在的不足，本发明的目的为提供一种适用于三维空间内±180°全角度、多方位测量的倾角传感器。该传感器通过磁性液体测量元件的设计，解决了现有磁性液体传感器测量方向固定单一、测量范围窄等问题，该传感器可以同步测量三维空间内倾斜角和偏转角并且测量范围扩展到±180°，显著提高了测量系统的适用性与工作效率。该传感器通过堆叠式永磁体的设计，解决了随倾斜角变化磁感应强度b变化率不均匀的问题，显著地提高了传感器的测量精度以及传感器的稳定性，并通过回归杆的设计，使堆叠式永磁体快速回归稳定状态，减小了磁性液体全方位水平倾角传感器测量等待时间，提高了传感器的工作效率。该传感器通过水平底座上指南针的设计，解决偏转方向的参照物的问题，增加了偏转方向角测量值的规范性。

本发明技术方案为：

一种快速回归型磁性液体全方位水平倾角传感器，该传感器包括磁性液体测量元件、支架、水平底座和堆叠式永磁体；所述支架通过安装孔固定在水平底座上；磁性液体测量元件安装在支架上；所述堆叠式永磁体悬浮在磁性液体测量元件内部的磁性液体中；所述水平底座由固定螺栓固定在待检测面上；

所述磁性液体测量元件包括封闭球壳、隧道磁电阻(tmr)传感器a、隧道磁电阻(tmr)传感器b、隧道磁电阻(tmr)传感器c、连接杆、连接环和磁性液体；封闭球壳内装有占球壳体积40％～50％的磁性液体和堆叠式永磁体，并通过连接杆与连接环相连接；4个连接杆均匀分布在封闭球壳水平方向最大圆周上，每个连接杆的一端垂直固定在球壳上；连接杆的另一端与连接环相连接，圆环状的连接环在封闭球壳中部的最大圆周的外侧；隧道磁电阻(tmr)传感器b固定在封闭球壳外侧的最底部，隧道磁电阻(tmr)传感器a、隧道磁电阻(tmr)传感器c分别位于封闭球壳水平方向最大圆周的外侧，并且和球心在同一条直线上；

所述磁性液体是煤油基fe3o4磁性液体，按照体积比fe3o4∶煤油＝8∶92配制∶四氧化三铁为纳米颗粒，直径的范围在2～20nm。

所述的堆叠式永磁体由3-5块圆柱形永磁体以半径从小到大的顺序堆叠组成，圆柱永磁体的厚度相同，直径最大的圆柱永磁体在最上方；轴向充磁的圆柱永磁体依靠相互之间的吸附力堆叠构成一个整体；永磁体的中心轴线重合；其中，最下方的圆柱形永磁体底面中心固定一根回归杆，中间的一块圆柱形永磁体四周均匀分布四根回归杆；所述的堆叠式永磁体优选为由5块圆柱形永磁体组成，厚度均为2mm，半径依次为10mm、8mm、6mm、4mm、2mm；第三块圆柱形永磁体四周均匀分布四根回归杆，长度均为4mm。所述的封闭球壳的半径为20mm。

支架为四根支脚，每根支脚包括半环形支柱、支柱a、调节柱、支柱b；所述半环形支柱用来支撑连接环，所述支柱b固定装入水平底座相应的支脚安装孔中；支柱a的无螺纹端与半环形支柱的相连接，有螺纹端与调节柱相连接，调节柱的另一端与支柱b有螺纹端相连接。

磁性液体全方位水平倾角传感器的水平底座包括四个支脚安装孔，四个固定螺栓通孔，一个指南针安装孔，孔内安装有指南针。

所述的磁性液体全方位水平倾角传感器还包括a/d模数转换器和微控处理器，每个隧道磁电阻(tmr)传感器均与一个a/d模数转换器相连，三个a/d模数转换器均与微控处理器相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中磁性液体测量元件设计，不仅可以通过球壳结构给内部的磁性液体以及悬浮在其中的堆叠式永磁体，提供稳定的不受外界因素的影响的环境，还给球壳外侧固定的隧道磁电阻(tmr)传感器提供了±180°全角度测量空间，可以使磁性液体全方位水平传感器同时测量出三维空间内的倾斜角和偏转角，有效的简化了三维空间内倾斜角测量的过程，最大限度地扩展了倾角传感器的量程，实现了在三维空间内的全方位测量。

2、本发明中使用堆叠式永磁体激发磁场，首先，堆叠永磁体的设计解决了随倾斜角变化磁感应强度b变化率不均匀的问题，显著了提高了传感器的精度，当倾斜角出现微小变化时，磁感应强度b变化明显。其次，不需要外加激励源，简化了使用倾角传感器的操作过程，减小了倾角传感器的结构。与现有的磁性液体倾角传感器相比，磁性液体全方位水平倾角传感器操作步骤更加方便快捷。

3、本发明采用隧道磁电阻(tmr)传感器测量磁感应强度b的大小，来实现角度信号到电信号的转化。隧道磁电阻(tmr)传感器采用lga(4mm×4mm×2.5mm)的封装形式，与差分感应线圈相比体积小了很多。隧道磁电阻(tmr)传感器具有很高的灵敏度，采用5v直流电源为其供电，其灵敏度k为5mv/gs。隧道磁电阻(tmr)传感器可以精确的完成信号的采集，提升磁性液体全方位水平传感器灵敏度精度，简化传感器整体结构。

4、本发明提出的回归杆设计，能使堆叠式永磁体快速回归到稳定状态，减少了磁性液体全方位水平倾角传感器测量过程中的等待时间，提高了倾角传感器的工作效率，节约了测量时间。

附图说明

图1是本发明磁性液体全方位水平倾角传感器的整体结构示意图；

图2是本发明磁性液体全方位水平倾角传感器的磁性液体测量元件的结构示意图；

图3是本发明磁性液体全方位水平倾角传感器的磁性液体测量元件的竖直剖面结构示意图；

图4是本发明磁性液体全方位水平倾角传感器的堆叠式永磁体的一种实施方式结构示意图；

图5是本发明磁性液体全方位水平倾角传感器的坐标系建立示意图；

图6是本发明磁性液体全方位水平倾角传感器的支脚的结构示意图；

图7是本发明磁性液体全方位水平倾角传感器的水平底座结构示意图；

图8是本发明磁性液体全方位水平倾角传感器的磁性液体测量元件四分之一圆周内倾斜角θ与磁感应强度b之间函数关系曲线；

图9是本发明磁性液体全方位水平倾角传感器测量偏转角的原理示意图；

图10是本发明磁性液体全方位水平倾角传感器解算偏转角示意图；

图中，1.磁性液体测量元件、2.支架、3.水平底座、4.堆叠式永磁体、1-1.封闭球壳、1-2.隧道磁电阻(tmr)传感器a、1-3.隧道磁电阻(tmr)传感器b、1-4.隧道磁电阻(tmr)传感器c、1-5.连接杆、1-6.连接环、1-7.磁性液体、4-1.圆柱永磁体a、4-2.圆柱永磁体b、4-3.圆柱永磁体c、4-4.圆柱永磁体d、4-5.圆柱永磁体e、4-6.回归杆、2-1.半环形支柱、2-2.支柱a、2-3.调节柱、2-4.支柱b、3-1.支脚a安装孔、3-2.支脚b安装孔、3-3.指南针安装孔、3-4.支脚c安装孔、3-5.支脚d安装孔、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。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明做进一步详述：

如图1所示，本发明的快速回归型磁性液体全方位水平倾角传感器的整体结构，包括磁性液体测量元件1、支架2、水平底座3和堆叠式永磁体4；所述支架2通过安装孔固定在水平底座上；磁性液体测量元件1安装在支架2上；所述堆叠式永磁体4悬浮在磁性液体测量元件1内部的磁性液体中；所述水平底座3由固定螺栓固定在待检测面上；

如图2所示，所述磁性液体测量元件1包括封闭球壳1-1、隧道磁电阻(tmr)传感器a1-2、隧道磁电阻(tmr)传感器b1-3、隧道磁电阻(tmr)传感器c1-4、连接杆1-5、连接环1-6和磁性液体1-7；外径40mm的封闭球壳内装有占球壳体积40％～50％的磁性液体1-7和堆叠式永磁体4，并通过连接杆1-5与连接环1-6相连接；4个连接杆1-5均匀分布在封闭球壳1-1水平方向最大圆周上，每个连接杆1-5的一端垂直固定在球壳上；连接杆1-5的另一端与连接环1-6相连接，圆环状的连接环1-6在封闭球壳1-1中部的最大圆周的外侧；隧道磁电阻(tmr)传感器b1-3固定在封闭球壳1-1外侧的最底部，隧道磁电阻(tmr)传感器a1-2、隧道磁电阻(tmr)传感器c1-4分别位于封闭球壳1-1水平方向最大圆周的外侧，并且二者和球心在同一条直线上；

如图3所示，本发明磁性液体全方位水平倾角传感器的磁性液体测量元件的竖直剖面结构，包括封闭球壳1-1、隧道磁电阻(tmr)传感器a1-2、隧道磁电阻(tmr)传感器b1-3、隧道磁电阻(tmr)传感器c1-4、堆叠式永磁体4、磁性液体1-7；所述磁性液体1-7是一种新型的功能材料，具体为一种煤油基fe3o4磁性液体，按照体积比fe3o4：煤油＝8：92配制，密度1.13g/cm³，粘度为3.25mpa·s，饱和磁化强度为381.5gs，四氧化三铁为纳米颗粒，直径的范围在2～20nm，其平均值为10nm。所述的煤油基fe3o4磁性液体有可以悬浮比其自身密度大的磁性物质的特性，可以用来给堆叠式永磁体提供一个可相对重力方向静止的悬浮环境；堆叠式永磁体4利用自身所激发的磁场和磁性液体提供的相对重力方向静止的悬浮环境，为隧道磁电阻(tmr)传感器提供一个可以测量的相对重力方向静止的磁场。

所述的堆叠式永磁体4由3～5块厚度相同的圆柱形永磁体以半径从小到大的顺序堆叠组成，其中，每块圆柱形永磁体的厚度应在0.05～0.14倍封闭球壳半径范围内，堆叠式永磁体的总厚度应在0.25～0.7倍的封闭球壳半径范围内，圆柱形永磁体的半径为0.05～0.6倍封闭球壳半径范围内；其中第一块圆柱形永磁体底面中心固定一根回归杆，第三块圆柱形永磁体四周均匀分布四根回归杆；如图4所示，本发明磁性液体全方位水平倾角传感器的堆叠式永磁体的一种实施方式，所述的封闭球壳半径为20mm，堆叠式永磁体包括圆柱永磁体a4-1、圆柱永磁体b4-2、圆柱永磁体c4-3、圆柱永磁体d4-4、圆柱永磁体e4-5；五块圆柱永磁体的厚度均为2mm，半径依次为10mm、8mm、6mm、4mm、2mm；五块轴向充磁的圆柱永磁体依靠相互之间的吸附力堆叠构成一个整体；五块永磁体的中心轴线重合。第一块圆柱形永磁体底面中心固定的回归杆长为2mm，第三块圆柱形永磁体四周均匀分布的四根回归杆长为4mm，材质为树脂；在上述具体实施例中永磁体最低点距离球壳最低点3mm。但是一般实施例中永磁体在磁性液体中的高度是任意的。

所述的磁性液体全方位水平倾角传感器还包括a/d模数转换器和微控处理器，所述的三个隧道磁电阻(tmr)传感器组成相同，每个隧道磁电阻(tmr)传感器均与一个a/d模数转换器相连，三个a/d模数转换器均与微控处理器相连。

三个隧道磁电阻输出的模拟电信号，依次由a/d模数转换器ads1256转换为数字电信号，并传送至微控处理器stm32进行计算处理，微控处理器再通过rs232串口线将结算结果发送到pc机显示。

所述隧道磁电阻(tmr)传感器是一款市售公知电子器件，该传感器具有三个相互垂直的磁敏感轴方向的线性磁传感器，当磁场的磁力线与磁敏感轴同向时，根据隧道磁电阻效应有：

vx＝k·bx(1)

其中，vx、bx、k分别为隧道磁电阻(tmr)传感器轴向输出电压、磁感应强度测量值，灵敏度；球壳上的磁感应强度b都可以分成三个相互垂直的分量bx、by、bz，具有：

根据这样的关系，隧道磁电阻(tmr)传感器可以测量球壳上的磁感应强度b。本实施例中隧道磁电阻的灵敏度k为5mv/gs。

为了更好的说明球壳上三个隧道磁电阻(tmr)传感器各自磁敏感轴的测量方向，建立如图5所示的空间直角坐标系，即以磁性液体测量元件1的球心o为空间直角坐标系的原点，球心o与隧道磁电阻(tmr)传感器c1-4测量点的连接线为y轴，球心o与隧道磁电阻(tmr)传感器b1-3测量点的连接线为z轴，x轴垂直于y、z轴组成的平面；初始状态隧道磁电阻(tmr)传感器b1-3的测量方向轴与建立的坐标系的方向一致；磁性液体测量元件1以x轴为中心顺时针旋转90°，此时隧道磁电阻(tmr)传感器c1-4的测量方向轴与隧道磁电阻(tmr)传感器b1-3的测量方向一致；磁性液体测量元件1以x轴为中心逆时针旋转90°,此时隧道磁电阻(tmr)传感器a1-2的测量方向轴与隧道磁电阻(tmr)传感器b1-3的测量方向一致。所述隧道磁电阻(tmr)传感器具有轴、轴、轴三个相互垂直的测量方向，固定在球壳上的三个隧道磁电阻(tmr)传感器轴与x轴方向一致，轴指向球壳的球心，轴垂直于轴、轴所在平面，且遵守右手定则；

支架2为四根支脚，每根支脚的结构如图6所示，包括半环形支柱2-1、支柱a2-2、调节柱2-3、支柱b2-4；支柱a2-2的无螺纹端与半环形支柱2-1的相连接，有螺纹端与调节柱2-3相连接，调节柱2-3的另一端与支柱b2-4有螺纹端相连接。顺时针旋转调节柱2-3时支柱a2-2向上运动，从而调整磁性液体测量元件与水平底座的相对位置实现倾角传感器调零的目的。支柱b2-4的一端与水平底座3相连接，固定装入水平底座的支脚安装通孔中。半环形支柱2-1的一端于连接环1-6相连接，起到支撑着磁性液体测量元件的作用。

如图7所示，磁性液体全方位水平倾角传感器的水平底座的结构示意图，包括四个支脚安装孔，支脚a3-1、支脚b3-2、支脚c3-4、支脚d3-5，四个固定螺栓通孔，通孔a3-6、通孔b3-7、通孔c3-8、通孔d3-9，一个指南针安装孔3-3，安装孔3-3内安装有指南针。将支脚安装到相应的安装孔内，通过固定螺栓通孔把磁性液体全方位水平倾角传感器的水平底座固定到待测面上，固定时需注意应保证指南针所示的方向北与隧道磁电阻(tmr)传感器b1-2轴测量方向一致。

如图8所示，采用有限元的方法计算以球壳上以最低点为原点，间隔为0.4°，四分之一球壳外侧范围内(如图3中虚线所示)磁感应强度b的大小；当θ＝0时，磁感应强度b最大，最大值为895.7gs；当θ＝90°时，磁感应强度b最小，最小值为143.3gs；采用多项式回归分析法确定磁感应强度b与倾斜角θ之间的函数关系式为：

b＝f(θ)＝877.927-14.713θ+0.075θ²(90°＞θ＞0°)(3)相关系数r-square＝0.99529,数据具有很高的相关度；据此公式可以计算倾斜角θ。

本发明的装置可以测量三维空间内的倾斜角θ和偏转角β。下面分别介绍两角度的测量解算过程。

本发明测量倾斜角θ(相对于空间直角坐标系o内z轴的角度)解算过程，根据隧道磁电阻(tmr)传感器a1-2、b1-3、c1-4测量的三位置上的磁感应强度ba、bb、bc，以及公式(3)，按照三个磁感应强度ba、bb、bc大小关系确定计算函数，将其中最大值代入相应的公式(4)，计算倾斜角θ。

本发明测量偏转角β(相对于空间直角坐标系o内x轴的角度，即初始状态下)解算过程，如图9测量偏转角β的原理示意图所示，计算倾斜角θ时，利用了三个磁感应强度ba、bb、bc中的最大值，将该最值的测量点以z轴为中心旋转360°，就确定了其在球壳上可能的位置，该可能位置构成一个圆心在z轴上的圆，如图9中圆所示，直线垂直于圆面，垂足为点；测量点o1、o3、o4为圆与空间直角坐标系内xz、yz两个轴面的交点，o2为o1与o3之间任意一点。随着测量点不同，偏转角β与隧道磁电阻(tmr)传感器的三轴测量方向发生变化；由于堆叠式永磁体3-5产生的是对称的磁场，轴与直线之间的夹角为倾斜角θ保持不变，所以圆上任意点对应的磁感应强度b大小都相等且均可分解为两个恒定分量bxy、bz，如图中对o1测量点磁感应强度b的分解所示。

如图10所示，在平面内对恒定分量bxy的合成与分解以及偏转角β进行详细说明；其中b1、b2、b3、b4分别表示，在圆上o1、o2、o3、o4不同测量点位置的恒定分量bxy；恒定分量bxy在平面内大小不变，但方向随偏转角β变化；初始状态定义恒定分量bxy与轴同向，偏转角β为恒定分量bxy与轴的夹角；通过对恒定分量bxy在o2测量点处b2进行正交分解，可知此时偏转角β为：

其中|by|和|bx|分别是球壳上磁感应强度b在轴上分量的绝对值。把公式(5)推广到适用于±180°全角度。

所述的磁性液体全方位水平倾角传感器的应用方法，包括以下步骤：

(1)放置磁性液体全方位水平倾角传感器，使其最下部的隧道磁电阻(tmr)传感器轴测量方向与指南针所示的方向北一致，此时通过固定螺栓将磁性液体全方位水平倾角传感器固定在需要测量倾斜角和偏转角的待测面上；

其中，球心o与隧道磁电阻(tmr)传感器c1-4测量点的连接线为y轴，球心o与隧道磁电阻(tmr)传感器b1-3测量点的连接线为z轴，x轴垂直于y、z轴组成的平面；

(2)转动调节柱倾角传感器调零：转动四个支脚上的调节柱，使隧道磁电阻a、c处于同一条水平线，此时隧道磁电阻(tmr)传感器a、c各自的的三个磁敏感轴方向上，三轴中对应轴的输出测量值相等；隧道磁电阻(tmr)传感器b测量的总磁感应强度bb等于895.7gs；实现磁性液体全方位水平倾角传感器调零；

其中，所述三个隧道磁电阻(tmr)传感器均具有轴、轴、轴三个相互垂直的测量方向，固定在球壳上的三个隧道磁电阻(tmr)传感器轴与x轴方向一致，轴指向球壳的球心，轴垂直于轴、轴所在平面，且遵守右手定则；

(3)当待测面倾斜后，静置20～30秒，待倾角传感器稳定；

(4)采集隧道磁电阻(tmr)传感器输出电压，计算磁感应强度ba、bb、bc的大小：微控处理器stm32通过a/d模数转换器ads1256，依次采集三个隧道磁电阻(tmr)传感器的，共计九路差分输出电压信号；模数转换器将模拟电压信号转换为数字电压信号，转递给微控处理器stm32；微控处理器stm32将九个数字差分输出电压，按照公式(1)vx＝k·bx，分别计算出三个隧道磁电阻(tmr)传感器各自的三轴的磁感应强度分量bx、by、bz，然后再利用公式(2)计算出隧道磁电阻(tmr)传感器a、b、c测量的三位置上的磁感应强度ba、bb、bc；

其中，vx、bx、k分别为隧道磁电阻(tmr)传感器轴向输出电压、磁感应强度测量值，灵敏度；bx、by、bz为球壳上磁感应强度b的三个分量；

(5)微控处理器stm32判断磁感应强度ba、bb、bc的大小关系：将其中的最大值代入公式(4)相应的函数中，解算倾斜角θ并通过rs232串口线将结算结果发送到pc机显示；

其中，θ为倾斜角；ba、bb、bc分别为隧道磁电阻(tmr)传感器a、b、c三位置上的磁感应强度测量值；

(6)微控处理器sim32完成倾斜角θ计算后，再将磁感应强度ba、bb、bc中，最大值的两个磁感应强度分量by、bx，代入公式(6)相应的函数中，解算偏转角β通过rs232串口线将结算结果发送到pc机显示；

其中，β为偏转角；by、bx分别为三个磁感应强度ba、bb、bc中最大值所对应的磁感应强度分量。

(7)两个值都得到，测量结束。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本申请权利要求保护的范围。

本发明未述及之处适用于现有技术。