一种基于传感器的测斜装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于传感器的测斜装置，本实用新型是基于LVDT传感器或振弦式传感器而设计的新型测斜装置，通过LVDT传感器或振弦式传感器感应滑块的位置状态从而对倾斜进行测量的装置。

背景技术：

目前在结构物、建筑物位移监测等领域，水平位移变化是一个重要的监测对象，水平位移可通过人工测量、全站仪、位移传感器、测斜仪等方法实现测量。其中测斜仪的测量基本原理是：通过倾斜角度的变化，通过三角函数的关系计算水平位移W=H*Sin(α)，其中H为盒式测斜仪安装的高度，α为倾斜角度。

传统倾斜测量方法为使得监测系统满足行业需求，实现结构物水平位移测量，人工测量、全站仪进行现场监测，无法实时、全天候自动测量。且全站仪设备昂贵、维护成本较高。

目前在监测行业应用的测斜仪敏感器件一般为MEMS（微机械电子测量系统）原理，其基本原理是将微小的容栅结构设计与芯片内部，倾角发生变化时，容栅的之间的电容值发生变化，通过内部的电容转电压（C/V转换）电路转换后，得到电压值。即可实现倾角-电压的输出关系。由于其内部设计精密、复杂，因此一般此类MEMS原理的倾角传感器在成本、温度特性、长期稳定性等方面存在一定的不足。

综上所述，传统倾斜测试的方法、装置在虽然有一定的应用场景，但在结构、生产工艺要求、稳定性等方面存在不足和局限。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种基于传感器的测斜装置，解决的技术问题就在于：1）使用传感器作为敏感元件，通过测量滑块的位置装置进行倾斜测量，以实现结构简单化设计，易于生产；2）利用LVDT或者振弦式传感器自身稳定性、温度影响低的优点，使得装置稳定性、温度特性符合工程测量要求。

本实用新型为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种基于传感器的测斜装置，该装置内设置有四个传感器，分别安装于滑块的四个侧面，传感器与滑块之间通过金属连接杆连接；

滑块通过弹簧与外壳体相连。

所述四个传感器的类型为LVDT或者振弦式传感器。

当滑块发生倾斜时，连接杆将滑块位置变化产生的拉、压应力传递到LVDT传感器或者振弦式传感器。

滑块通过弹簧与外壳体相连，弹簧可将滑块的位置状态进行控制。

LVDT传感器的一般工作原理是：磁性金属拉杆放置在线圈磁场中，线性变化差分变压器(LVDT) 是一种用于位置测量的通用器件，内部包括一个初级线圈、两个次级线圈以及一个可以自由移动的磁芯。由于磁芯与线圈之间不接触，磁芯的移动不会与线圈产生摩擦。因此，在一些严酷的环境中，使用LVDT可以在机械上保证器件的可靠性。

线性可变差动变压器(LVDT) 主要由一个铁芯和两个线圈组成，由于无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，且功耗低，寿命长。设原线圈L 的激励电压为U1 ，两个次级线圈L1 ，L2 的感应电压分别为U21 ，U22 ，原线圈与两个次级线圈的互感系数分别为M1 与M2 ，忽略磁滞涡流和耦合电容，则LVDT 的输出电压U21 ，U22 ，U2 的表达式如式(1) ～式(3)：

ÛU21 = jωM1ÛI1 (1)

ÛU22 = jωM2ÛI1 (2)

ÛU2 = ÛU21 - ÛU22 = jω(M1 - M2 ) ÛI1 (3)

式中: I1 为主线圈中励磁电流;M1 与M2 在中心位置的一段范围内与铁心的位置呈线性关系，那么铁芯的位移变化量与输出电压变化量呈良好的线性关系。

当装置水平放置未发生倾斜时，四个LVDT传感器位移平均。装置安装后发生倾斜时，倾斜后滑块由于重力加速度的影响，滑块所在水平方向对LVDT传感器1、2产生压力，对3、4产生拉力，因而LVDT传感器1、2的位移减小，LVDT传感器3、4的位移增大。在实际生产制造时，LVDT传感器的位移值-倾斜角度值的关系计算，按照位移变化的加权平均值与倾角值进行拟合。

振弦式传感器的一般工作原理是：振弦放置在磁场中，一定方式对振弦加以激振后，振弦将会发生共振，共振的弦线在磁场中作切割磁力线运动，可在拾振线圈中感应出电势，感应电势的频就是振弦的共振频率。由力学原理可知，振弦的共振频率与弦线所承受的张力或拉力与传感器所承受的拉压应力大小成线性关系。

在装置水平位置时，滑块受弹簧的限位，处于居中状态，四个振弦传感器受的拉压应力平均。装置安装后发生倾斜时，如图2所示，倾斜后滑块由于重力加速度的影响，滑块所在水平方向对振弦传感器1、2产生压应力，对3、4产生拉应力，因而振弦传感器1、2的振弦自由震荡频率降低，振弦传感器3、4的振弦自由震荡频率升高。在实际生产制造时，振弦传感器的频率值-倾斜角度值的关系计算，按照频率变化的平方加权平均值与倾角值进行拟合。例如四个振弦式传感器的初始频率分别是f10、f20、f30、f40，测量值分别为f11、f21、f31、f41，角度值则为：k*[（f11-f10）²+（f21-f20）²+（f31-f30）²+（f41-f40）²]/4。其中K值为标定系数，通过测量值与实际角度值标定拟合得到。

本实用新型的有益效果：

本实用新型利用了LVDT传感器或振弦传感器、滑块及辅助机械结构，使用LVDT传感器或振弦传感器作为敏感元件，由于LVDT传感器或振弦传感器自身结构简单、稳定性高等优点，广泛应用于土木结构安全的长期监测。LVDT传感器或振弦传感器生产简易、制造工艺难度小，因此本设计测斜装置可解决传统MEMS倾角传感器制造难度大的问题，同时系统稳定性高。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型发生倾斜时滑块位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述：

一种利用LVDT传感器作为敏感测量元件，通过测量滑块的位置变化得到倾角变化的装置。装置设计有四个LVDT传感器1、2、3、4，分别安装于滑块5的四个侧面，两者通过金属连接杆6连接，当滑块发生倾斜时，连接杆6将滑块5位置变化产生的拉、压应力传递到LVDT传感器1、2、3、4。

本装置是通过测量滑块的倾斜装置得到倾斜值，因此滑块的位置可自滑块5通过弹簧7与外壳体8相连，弹簧7可将滑块5的位置状态进行控制。

LVDT传感器的一般工作原理是：磁性金属拉杆放置在线圈磁场中，线性变化差分变压器(LVDT) 是一种用于位置测量的通用器件，内部包括一个初级线圈、两个次级线圈以及一个可以自由移动的磁芯。由于磁芯与线圈之间不接触，磁芯的移动不会与线圈产生摩擦。因此，在一些严酷的环境中，使用LVDT可以在机械上保证器件的可靠性。

线性可变差动变压器(LVDT) 主要由一个铁芯和两个线圈组成，由于无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，且功耗低，寿命长。设原线圈L 的激励电压为U1 ，两个次级线圈L1 ，L2 的感应电压分别为U21 ，U22 ，原线圈与两个次级线圈的互感系数分别为M1 与M2 ，忽略磁滞涡流和耦合电容，则LVDT 的输出电压U21 ，U22 ，U2 的表达式如式(1) ～式(3)：

ÛU21 = jωM1ÛI1 (1)

ÛU22 = jωM2ÛI1 (2)

ÛU2 = ÛU21 - ÛU22 = jω(M1 - M2 ) ÛI1 (3)

式中: I1 为主线圈中励磁电流;M1 与M2 在中心位置的一段范围内与铁心的位置呈线性关系，那么铁芯的位移变化量与输出电压变化量呈良好的线性关系。

当装置水平放置未发生倾斜时，四个LVDT传感器位移平均。装置安装后发生倾斜时，如图2所示，倾斜后滑块由于重力加速度的影响，滑块所在水平方向对LVDT传感器1、2产生压力，对3、4产生拉力，因而LVDT传感器1、2的位移减小，LVDT传感器3、4的位移增大。在实际生产制造时，LVDT传感器的位移值-倾斜角度值的关系计算，按照位移变化的加权平均值与倾角值进行拟合。

振弦式传感器的一般工作原理是：振弦放置在磁场中，一定方式对振弦加以激振后，振弦将会发生共振，共振的弦线在磁场中作切割磁力线运动，可在拾振线圈中感应出电势，感应电势的频就是振弦的共振频率。由力学原理可知，振弦的共振频率与弦线所承受的张力或拉力与传感器所承受的拉压应力大小成线性关系。

在装置水平位置时，滑块受弹簧的限位，处于居中状态，四个振弦传感器受的拉压应力平均。装置安装后发生倾斜时，如图2所示，倾斜后滑块由于重力加速度的影响，滑块所在水平方向对振弦传感器1、2产生压应力，对3、4产生拉应力，因而振弦传感器1、2的振弦自由震荡频率降低，振弦传感器3、4的振弦自由震荡频率升高。在实际生产制造时，振弦传感器的频率值-倾斜角度值的关系计算，按照频率变化的平方加权平均值与倾角值进行拟合。例如四个振弦式传感器的初始频率分别是f10、f20、f30、f40，测量值分别为f11、f21、f31、f41，角度值则为：k*[（f11-f10）²+（f21-f20）²+（f31-f30）²+（f41-f40）²]/4。其中K值为标定系数，通过测量值与实际角度值标定拟合得到。

安装时，应将本装置采用螺丝或使用结构胶与被测物进行连接，使得本装置可准确快速响应结构物的倾角变化。

工程测量使用时，在安装完成后，应对各个LVDT传感器或振弦传感器的初始频率值进行采集。在需要对角度进行测量时，采集当前频率值，并与各自的初始值进行差值计算，得到频率差值。