专利名称：倾斜度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种倾斜度传感器，特别是一种在工程上可将偏离重力线的倾斜角度转换成电信号输出用于实时监测、记录、报警等多种用途的倾斜度传感器。
目前在例如打桩、压路等施工中，桩机倾斜度的测量和路面坡度的测量通常是采用简单的重力针或电位器进行的。这类方式所能提供的功能比较单一，无法做到连续实时的监测、记录，无法就其测量结果对整个施工过程的施工质量作出评价，因而难以很好地保证施工质量。另外，这种方法测量不够直观，精度较差，使用也不够方便，不利于在施工现场进行操作指导。
此外，在例如隧道掘进工程中，则采用如图5(A)所示的电极电解质传感器。该传感器包括一比较精密的玻璃液泡，液泡内有液体电解质，并设有三个电极，这些电极插在电解质液中并从封闭的液泡引出其接线端。这种传感器随着掘进机械的倾斜，其液泡倾斜，但液体电解质液面仍保持水平，这样电极间的电容(或体电阻)改变。如图5(B)所示由该传感器和两个定电容组成交流电桥，当传感器倾斜时，其电桥输出的电压幅值也发生改变，这样就能将倾斜角度转化成电信号输出，经信号处理和数字处理后用于数字显示等目的。这种电极电解质传感器存在液体电解质受温度的影响较大的问题，特别是在0℃以下温度时会因冻结或结露而无法准确地检测倾斜度。另外还存在有其玻璃液泡不耐振，易损坏等问题。另外，振动时电解液中随机出现小泡影响测量。
本实用新型正是解决上述问题的，其目的在于提供一种能工作于宽温度范围和具有抗振性能的倾斜度传感器。
本实用新型的另一目的是提供一种能把倾斜度转换成电信号以作实时测量的倾斜度传感器。
为达到上述目的，本实用新型的倾斜度传感器包括固定体；固定在所述固定体上的轴承；轴接在所述轴承内可自由旋转的旋转轴；固定在所述旋转轴一端，产生磁场的永磁体；固定在所述旋转轴上，可通过其重力转矩作用使所述旋转轴转动以便其指向与重力线重合的重力针；固定在所述固定体上，随所述磁场方向的变化而使其磁敏电阻变化的磁敏元件。
如上所述的本实用新型的倾斜度传感器还可包括接入所述磁敏元件的磁敏电阻以产生电信号输出的信号输出电路。而且，所述电信号输出随所述磁场方向的变化呈周期为180°的正弦波变化。
本实用新型的倾斜度传感器，当待测体倾斜，固定于该待测体的传感器的固定体也随之一起倾斜，旋转轴在重力针的重力转矩作用下依靠轴承的作用相对固定体转动以使其指向仍与重力线重合，这样固定在旋转轴一端的永磁体以及其产生的磁场仍保持原来的方向，而固定在固定体上的磁敏元件就会随固定体一起倾斜，并因其相对于磁场方向的改变而使其磁敏电阻以一定的规律变化，从而起到传感器作用。由于本实用新型的倾斜度传感器所采用的磁敏元件和永磁体，其工作温度范围宽、且耐振，并且两者可以无接触，故而更为符合工程上的要求。
本实用新型的倾斜度传感器，由于还包括接入所述磁敏元件的磁敏电阻以产生电信号输出的信号输出电路，这样倾斜度传感器可响应倾斜度改变而输出变化的电信号，这种电信号输出可直接被进一步实时处理以用作多种用途。
本实用新型的倾斜度传感器，由于电信号输出随所述磁场方向的变化呈周期为180°的正弦波变化，因而电信号输出为零处的导数为最大，即此处电信号输出接近零时所测得的倾斜度角度值也就精确。因而可将电信号输出为零处确定为相对倾斜角度的零位。
本实用新型的倾斜度传感器，固定于某一倾斜位置的待测体上，这时所述重力针自然下垂处于垂直零线位置，即所述磁场方向和所述磁敏元件正好使所述电信号输出为零的位置，则相对待测体当前倾斜位置的相对倾斜角度可如上面所述定作零。这样，若待测体当前倾斜位置为重力线位置，该传感器即可用于灵敏度高的绝对倾斜度测量。
以下结合附图和实施例对本实用新型作详细说明，通过说明将会对其特点、效果了解得更为清楚。
图1是本实用新型第一实施例倾斜度传感器组件的部分剖视图。
图2是说明第一实施例的磁敏元件随永磁体位置变化其磁敏电阻变化的说明图。
图3是本实用新型第二实施例的部分剖视图。
图4(A)和4(B)分别是第二实施例的磁敏元件和其信号输出电路的说明图。
图5(A)和5(B)分别是已有技术的传感元件和其信号输出电路的说明图。
图1是本实用新型第一实施例倾斜度传感器组件的部分剖视图。下面，参照图1说明该传感器组件1的构造。圆筒21具有筒底21a，筒底21a的中央有一圆孔21b，旋转轴25通过该圆孔21b。圆筒21的筒体由一内径较大的第一筒体部21c和内径较小的第二筒体部21d一体地形成，其中第二筒体部21d中固定嵌装着一轴承22。该第二筒体部21d还如图所示通过例如螺栓，在其与第一筒体部21c连接处所形成的台阶上，固定设置一圆环形压板23，该压板23得以将轴承22保持在它与筒底21a之间以阻止其沿轴向移动。轴承22与圆孔21b以及压板23同轴配置，轴承22的轴孔22a的直径比圆孔21b的孔径略小，且恰好可使轴孔22的轴承面与旋转轴轴接。这样，旋转轴25轴接在该轴孔22a中，当受到转矩作用时就可以依靠轴承相对圆筒21等自如地转动。图1中示范性示出的轴承22是在极小的转矩作用下即能转动的例如双列D级小摩擦系数轴承或C级小摩擦系数军用轴承，当然比这等级更高的轴承以及摩擦系数足够小的单列轴承也都是可以的，最好是采用陀螺框架上所用的这类轴承。在旋转轴25插入圆筒21中的一端上，固定有用来使永磁体31定位并牢靠固定住的定位板26，当然也可直接固定永磁体31。永磁体31可采用磁钢，例如是磁性较强的铝钴镍磁钢和钐钴磁钢。请参见图3，旋转轴25在圆筒体外的一端固定有一常规的重力针51。该重力针51包括例如是球形的重锤52和刚性的细直金属杆53。金属杆53的一端是直接通过旋转轴25的中心轴线处的通孔后并与旋转轴25固定的，金属杆53的另一端则在重锤52的重心处与重锤52固定，金属杆53在旋转轴25旋转时始终处于同一平面。重锤52的质量和其重心距旋转轴25中心轴线的距离应足够大，这可保证传感器组件1有足够高的灵敏度。再参见图1，第一筒体部21c端部上如图所示固定设置一封闭圆筒21开口部分的底板28。在该底板28筒内一侧固定着焊接有磁敏元件41引脚(包括中心抽头)的引线板29，引出的导线通到圆筒21的外面。
下面，参照图2详细说明图1中的永磁体31和磁敏元件41。图中，磁敏元件41与永磁体31相邻设置，并位于与永磁体31的旋转面相平行的平面上，处在该永磁体31的磁场中。磁敏元件41如图所示是在一平面上按一定方向迂回绕制的电阻丝(NiCo金属丝)，该电阻丝本身具有电阻R0，涂上磁粉后，在磁场中所产生的磁敏电阻R′以下式表示R′＝RVsin2θ＋RPcos2θ＝RV＋(RP－RV)cos2θ(RP＞RV)(式Ⅰ)
其中θ为磁场方向与电阻丝迂回方向间的夹角。可见，当磁场方向与迂回方向相互平行时，θ＝±kπ，R′＝RP为最大，RP为平行磁敏电阻；相互垂直时，θ＝ (π)/2 ±kπ，R′＝RV为最小，RV为垂直磁敏电阻。磁敏元件41的磁敏电阻随永磁体31的磁场方向变化以周期为180°的正弦规律而变化。上述实施例1的传感器组件正是通过永磁体31和磁敏元件41相对转动所产生的磁敏电阻有规律的变化来感知倾斜角度的。
下面参照图3说明本实用新型第二实施例倾斜度传感器的构造。该传感器有一可固定于待测体上的固定板2。该固定板2上有例如四个固定用螺孔2a、2b、2c和2d。固定板2上固定有旋转架3，该旋转架3上设有圆弧形槽3a、3b和3c，由螺钉3d、3e、3f分别通过槽3a、3b和3c旋进固定板2上的螺孔(未图示)进行固定，固定前为下面述及的目的使旋转架3稍作转动进行调整。旋转架3上固定有类似前面实施例所说明的传感器组件1，旋转架3和组件1的底板28是由螺钉20a、20b和20c固定的。另外，传感器还包括一下面详述的用于信号输出的电路，固定板2上如图所示架空设置着该电路的电路板4。电路板4上焊接着从组件1出来的护套管5中的三根引线5a、5b和5c，另外还焊接着四根引线6a、6b、6c和6d，这四根引线由护套管6通过固定板2上孔2e连接到传感器外部。此外，固定板2上还如图所示设有罩着上述部件的圆形罩壳7。固定板2上的所有配置均不影响传感器组件1上的重力针51的自由转动。当传感器应用于有磁场的场合时，固定板2和罩壳7等都可由例如铁磁体之类的导磁材料制成以屏蔽外界磁场。
下面参照图4(A)和图4(B)说明第二实施例的传感器组件1及其信号输出电路。本实施例的传感器组件1与第一实施例在构造上基本相同，磁敏元件41则采用如图4(A)所示的由涂有磁粉的电阻丝按相互垂直的两个方向迂回而成的磁敏电阻，它有三个引脚，包括电阻丝的两端41a和41c以及其中心抽头41b，它们分别由前述的引线5a、5b和5c引出。其中电阻丝41a至41b垂直方向迂回设置，而电阻丝41b至41c水平方向迂回设置，两段电阻丝长度基本相同，因而无磁场时电阻均为R0。将如图4(A)所示处于磁场中的磁敏元件41的两个电阻RA和RB接入如图4(B)所示的直流电桥电路中，则电桥输出u如下式所示u＝VCC( (RB)/(RA+RB) － (R0)/(R0+R0) )＝VCC( (R0+RB')/(R0+RA'+R0+RB') － 1/2 )电阻RA、RB的磁敏电阻RA′、RB′远小于R0，即RA′、RB′＜＜R0故可推得u＝ (VCC)/2 (RB'-RA')/(2R0) (式Ⅱ)设磁场方向与电阻RA间的夹角为θ，则与RB间的夹角为θ＋ (π)/2 ，则由式Ⅰ，RA′＝RV＋(RP－RV)cos2θRB′＝RV＋(RP－RV)cos2(θ＋ (π)/2 )＝RV＋(RP－RV)sin2θ这两式代入式Ⅱ中则为(令△R＝RP－RV)，u＝－ (VCC)/2 (△R)/(2R0) cos2θ＝ (VCC)/2 (△R)/(2R0) sin(2θ－ (π)/2 )＝ (VCC)/2 (△R)/(2R0) sin2ψ (ψ＝θ－ (π)/4 )可见电压输出是随所述磁场方向的变化呈周期为180°的正弦波变化，并在θ＝45°时电压输出u＝0，此时电压随角度θ的变化最为灵敏，通过转动前述旋转架3调节θ值使θ＝ (π)/4 ；ψ＝0，电压输出u＝0，以该位置作为测量零点，就能测出微小的相对倾斜角度ψ。
图4(B)中的直流电压VCC由引线6a、6b提供，电压信号则经引线6c，6d输出用作进一步处理，例如经接口输入微机，以进行运算、显示、打印或监视报警。
在图4(A)中，一般应使磁钢31的旋转中心轴与磁敏元件41的中心轴线对准，这样可确保电压输出u上下对称无失真，也就无需微机利用软件进行校准了。另外最好使磁钢31与磁敏元件间的气隙控制在2－3mm以使磁敏元件41处于较强的均匀磁场中。另外为使磁钢磁敏元件更牢靠地固定于转轴底板上，可用环氧树脂24(参见图1)或橡胶浇封进行固定。
上面这些实施例均是以测一维倾斜度的传感器作说明的，但两个本实用新型所述的一维传感器使其固定板间的夹角为一恒定角度例如直角固定于待测体上时，就可测出其相对任一方向的倾斜角度。另外传感器固定于待测体上时，可利用螺钉固定，也可采用随动的方式，靠枢轴之类构件悬挂在待测体上，这时传感器的固定板上还可包括一在同枢轴方向相垂直方向上的重锤。
本实用新型的倾斜度传感器显然可以部分地按前述说明的实施例进行实施，但应理解对于不超出本实用新型实质的变形都应归于后面的权利要求所要求的保护范围。
权利要求1.一种倾斜度传感器，其特征在于包括固定体；固定在所述固定体上的轴承；轴接在所述轴承内可自由旋转的旋转轴；固定在所述旋转轴一端，产生磁场的永磁体；固定在所述旋转轴上，可通过其重力转矩作用使所述旋转轴转动以便其指向重合在重力线上的重力针；固定在所述固定体，随所述磁场方向的变化而使其磁敏电阻变化的磁敏元件。
2.如权利要求1所述的倾斜度传感器，其特征在于还包括接入所述磁敏元件的磁敏电阻以产生电信号输出的信号输出电路。
3.如权利要求2所述的倾斜度传感器，其特征在于所述磁敏元件由两个迂回方向相互垂直的磁敏电阻串联连接而成；所述信号输出电路是所述磁敏元件与两个串联电阻并联构成的直流电桥电路；所述电信号输出是所述磁敏元件两个磁敏电阻中间的抽头与两个串联电阻的中间抽头之间的电压信号。
4.如权利要求2或3所述的倾斜度传感器，其特征在于所述电信号输出随所述磁场方向的变化呈周期为180°的正弦波变化。
5.如权利要求1或2所述的倾斜度传感器，其特征在于所述固定体包括可用于固定在待测体上的第一壳体；封闭和固定所述磁敏元件、轴承等的第二壳体；固定在所述第一壳体内，用于转动调整所述第二壳体位置并固定该第二壳体的旋转架。
6.如权利要求1或2所述的倾斜度传感器，其特征在于所述永磁体为铝钴镍磁钢或钐钴磁钢。
7.如权利要求6所述的倾斜度传感器，其特征在于所述磁钢与所述磁敏元件相邻设置，所述磁钢的旋转平面平行于所述磁敏元件磁敏电阻丝所在平面，并具有2－3mm的气隙。
8.如权利要求1或2所述的倾斜度传感器，其特征在于所述轴承为双列小摩擦系数轴承。
9.如权利要求5所述的倾斜度传感器，其特征在于所述外壳由导磁材料制成。
10.如权利要求1或2所述的倾斜度传感器，其特征在于所述永磁体由环氧树脂或橡胶固定在所述旋转轴上，所述磁敏元件由环氧树脂或橡胶固定在所述固定体上。
专利摘要本实用新型所揭示的倾斜度传感器包括可固定在待测体上的固定体；固定在所述固定体上的轴承；轴接在所述轴承内可自由旋转的旋转轴；固定在所述旋转轴一端，产生磁场的永磁体；固定的所述旋转轴，可通过其重力转矩作用使所述旋转轴转动以便其指向与重力线重合的重力针；固定在所述固定体上，随所述磁场方向变化而使其磁敏电阻变化的磁敏元件。因而其工作温度范围宽、且耐振，而适合工程上应用。
文档编号G01C9/00GK2149603SQ9320232
公开日1993年12月15日 申请日期1993年1月28日 优先权日1993年1月28日
发明者徐伟鸿, 蔡宜立 申请人:上海市电机技术研究所