一种液位分布式倾仰角检测器及检测方法与流程

[0001]
本发明涉及角度检测领域，尤其涉及一种液位分布式倾仰角检测器及检测方法。


背景技术：

[0002]
在工农业生产和服务、科学研究及日常生活中，角度或倾斜度测量是时常需要的，例如在设备安装、机械加工、建筑施工和交通运输等领域。然而，目前角度测量仪普遍存在精度低或者性价比不高的缺点，本发明旨在解决该问题。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的是为了提供一种液位分布式倾仰角检测器及检测方法，检测精度高、结构简单。
[0004]
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种液位分布式倾仰角检测器，包括控制器和内部中空形成圆柱腔的透明圆柱容器；圆柱容器内腔装有液体，内壁贴有电连接于控制器的压力传感器，压力传感器在内壁圆周上形成压力传感器环形阵列，压力传感器环形阵列中的同位阵元沿轴向延伸至圆柱容器端面，形成压力传感器轴向阵列；控制器和压力传感器之间设有信号调理器和模数转换器，控制器输出端设有数据输出模块；每个阵元上压力传感器因受到压力而感应电压，经信号调理器进行放大和滤波处理后，再经模数转换器模数转换后，控制器读取并计算，得到当前的轴向倾角和绕轴仰角，数据输出模块向用户输出测试结果。
[0005]
按以上方案，所述圆柱容器内腔所装的液体采用熔点低于-50℃、沸点高于+50℃的液类，液体体积为圆柱容器容积的一半，圆柱容器内腔的剩余空间抽成真空或者充入一个大气压的氮气。
[0006]
按以上方案，所述压力传感器为贴片式扩散硅压力传感器，压力传感器环形阵列及压力传感器轴向阵列中每个阵元呈均匀分布。
[0007]
按以上方案，所述控制器可采用单片机或arm处理器。
[0008]
按以上方案，所述数据输出模块为电连接于控制器的显示器和/或扬声器。
[0009]
一种液位分布式倾仰角检测方法，使用上述液位分布式倾仰角检测器，其步骤为：压力传感器根据所在位置液体深度不同而输出不同的感应电压，压力传感器环形阵列的每个阵元输出感应电压至控制器，控制器将每个环形阵列中液体深度最大的压力传感器视为有效阵元，所有的压力传感器有效阵元形成有效压力传感器轴向阵列，有效压力传感器轴向阵列输出的系列感应电压值形成圆柱容器内腔壁最大液压值轴向分布向量，用该向量反映圆柱容器的轴截面液位分布，基于轴截面液位分布得到当前轴向倾角；对压力传感器环形阵列中每个阵元进行标号构成索引号，根据高液位一侧端面上压力传感器环形阵列中有效阵元的索引号，得到当前的绕轴仰角。
[0010]
按以上方案，所述检测方法具体为：
[0011]
步骤1：参数初始化
[0012]
m
←
φ，u
thd
←
μ，k
←
k
′
，u
←
φ，其中，符号
←
表示赋值，m表示有效压力传感器轴向阵列索引集，φ代表空集，u
thd
表示电压差门限，μ由生产商预设，μ趋近于零，k表示压力传感器所在位置液体深度与对应检测电压的比值，矩阵u表示圆柱容器内腔壁液压分布所反映的检测电压分布，k
′
由用户对矩阵u的数据进行定期标定并线性拟合后获取；用u的第n行第k列元素u
n,k
表示轴向自左至右第n环形阵列逆时针第k阵元所对应的检测电压，用u的第n行向量u
n,:
＝[u
n,1
,
…
u
n,k
]反映轴向自左至右第n压力传感器环形阵列所在内腔壁的液压分布，用u的第k列向量u
:,k
＝[u
1,k
,
…
u
n,k
]
t
反映压力传感器各个环形阵列的逆时针第k阵元所形成的轴向阵列所在内腔壁的液压分布，其中，n表示轴向自左向右共n个压力传感器环形阵列，k表示每个压力传感器环形阵列中共k个阵元；
[0013]
步骤2：采集零液压下的输出电压以赋值调零矩阵
[0014]
步骤2.1：将圆柱容器平放，即令轴向倾角θ≈0；
[0015]
步骤2.2：确定有效压力传感器轴向阵列
[0016]
控制器读取轴向自左至右第n压力传感器环形阵列所在内腔壁的液压分布控制器读取轴向自左至右第n压力传感器环形阵列所在内腔壁的液压分布采用如下公式计算有效压力传感器轴向阵列索引号m：
[0017][0018]
由此确定有效压力传感器轴向阵列，并构建有效压力传感器轴向阵列检测电压向量
[0019]
u
:,m
＝[u
0,m
,
…
u
n-1,m
]
t
；
[0020]
步骤2.3：读取与有效压力传感器轴向阵列对称的轴向阵列的检测电压
[0021]
f(m)
←
mod(k,m+k/2)，
[0022]
mod(x,y)表示以x为模对y进行取模，则索引号为f(m)的轴向阵列与索引号为m的轴向阵列关于轴线呈几何对称，
[0023]
u
′
:,f(m)
←
u
:,f(m)
[0024]
u
′
:,f(m)
即与有效压力传感器轴向阵列对称的零液压下的轴向阵列的检测电压，用于后续调零；步骤2.4：赋值调零矩阵
[0025]
u
′
(:,f(m))
←
u
′
:,f(m)
，
[0026]
其中u
′
为检测电压调零矩阵；
[0027]
步骤2.5：赋值有效压力传感器轴向阵列索引集：m
←
m∪{m}；
[0028]
步骤2.6：若有效压力传感器轴向阵列索引集m未完备则继续使之更完备
[0029]
若m达到完备，即m＝{1,
…
k}，则跳转步骤3，否则控制器通过数据输出模块提示用户将圆柱容器绕轴逆时针旋转一个角度，跳转至步骤2.2；
[0030]
步骤3：测试当前姿态下的轴向倾角θ
[0031]
若|u
:,m
(0)-u
′
:,m
(0)|>u
thd
，则采用小轴向倾角计算公式，如下：
[0032]
θ＝sin-1
(k(|u
:,m
(n-1)-u
′
:,m
(n-1)|-|u
:,m
(0)-u
′
:,m
(0)|)/a0)
[0033]
其中，sin-1
(
·
)表示正弦反函数，a0表示圆柱容器的轴向长度；
[0034]
否则，采用大轴向倾角计算公式，如下：
[0035]
θ＝sin-1
(k|u
:,m
(n-1)-u
′
:,m
(n-1)|/((n-n
′
+1)d))
[0036]
其中，d表示相邻压力传感器的轴向间距，n
′
的获取采用如下计算公式：
[0037]
n
′
＝min{n||u
:,m
(n)-u
′
:,m
(n)|>u
thd
,0≤n≤n-1}
[0038]
步骤4：测试当前姿态下的绕轴仰角采用如下计算公式：
[0039][0040]
本发明具有如下有益效果：本发明的圆柱容器内壁贴有电连接于控制器的压力传感器，压力传感器在内壁圆周上形成压力传感器环形阵列，压力传感器环形阵列中的同位阵元沿轴向延伸至圆柱容器端面，形成压力传感器轴向阵列，结构简单；本发明采用设于圆柱容器内腔的压力传感器产生感应电压，经信号调理器进行放大和滤波等处理后，再经模数转换器进行二进制量化后得到检测电压值，被控制器读取并经后续处理、计算，得到当前的轴向倾角和绕轴仰角，能以更简单的结构达到光电式同类设备的精度，检测精度高。
附图说明
[0041]
图1为本发明实施例圆柱容器结构及轴向倾角等于零时液位状态图；
[0042]
图1a为轴向倾角等于零时液位状态轴向左侧视图；
[0043]
图1b为轴向倾角等于零时液位状态轴截面图；
[0044]
图1c为轴向倾角等于零时液位状态轴向右侧视图；
[0045]
图2为倾仰角检测器轴向倾角较小时液位状态图；
[0046]
图2a为轴向倾角较小时液位状态轴向左侧视图；
[0047]
图2b为轴向倾角较小时液位状态轴截面图；
[0048]
图2c为轴向倾角较小时液位状态轴向右侧视图；
[0049]
图3为倾仰角检测器轴向倾角较大时液位状态图；
[0050]
图3a为轴向倾角较大时液位状态轴向左侧视图；
[0051]
图3b为轴向倾角较大时液位状态轴截面图；
[0052]
图3c为轴向倾角较大时液位状态轴向右侧视图；
[0053]
图4为本发明实施例倾仰角检测器绕轴仰角检测原理图；
[0054]
图5为不同轴向倾角下的压力传感器检测电压示图；
[0055]
图5a为轴向倾角等于零时压力传感器轴向阵列检测电压示图；
[0056]
图5b为轴向倾角较小时压力传感器轴向阵列检测电压示图；
[0057]
图5c为轴向倾角较大时压力传感器轴向阵列检测电压示图；
[0058]
图6为本发明实施例中硬件结构示意框图；
[0059]
图7为本发明检测方法的流程示意图；
[0060]
图8为本发明检测方法中调零步骤的流程示意图。
[0061]
附图标记：1、圆柱容器；2、液体；3、压力传感器；4、信号调理器；5、模数转换器；6、控制器；7、显示器；8、扬声器。
具体实施方式
[0062]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0063]
请参考图1至图8，本发明为一种液位分布式倾仰角检测器，其包括控制器6和内部
中空形成圆柱腔的透明圆柱容器1；
[0064]
圆柱容器1内腔装有液体2，圆柱容器1内腔所装的液体2采用熔点低于-50℃、沸点高于+50℃的液类，本实施例中，液体2可选用酒精，液体2体积为圆柱容器1容积的一半，圆柱容器1内腔的剩余空间抽成真空或者充入一个大气压的氮气。圆柱容器1内壁贴有电连接于控制器6的压力传感器3，压力传感器3在内壁圆周上形成压力传感器环形阵列，压力传感器环形阵列中的同位阵元沿轴向延伸至圆柱容器1端面，形成压力传感器轴向阵列，压力传感器环形阵列及压力传感器轴向阵列中每个阵元呈均匀分布，本实施例中，压力传感器3为贴片式扩散硅压力传感器。
[0065]
控制器6和压力传感器3之间设有信号调理器4和模数转换器5，控制器6输出端设有数据输出模块；每个阵元上压力传感器3因受到压力而感应电压，经信号调理器4进行放大和滤波处理后，再经模数转换器5模数转换后，控制器6读取、计算，得到当前的轴向倾角和绕轴仰角，数据输出模块向用户输出测试结果；本实施例中，数据输出模块采用的是显示器7和扬声器8分别以文字显示和声音播放的形式向用户报告检测结果或提示操作过程。
[0066]
使用上述液位分布式倾仰角检测器的检测方法为：压力传感器3根据所在位置液体2深度不同而输出不同的感应电压，压力传感器环形阵列的每个阵元输出感应电压至控制器6，控制器6将每个环形阵列中液体2深度最大的压力传感器3视为有效阵元，所有的压力传感器3有效阵元形成有效压力传感器轴向阵列，有效压力传感器轴向阵列输出的系列感应电压值形成圆柱容器1内腔壁最大液压值轴向分布向量，用该向量反映圆柱容器1的轴截面液位分布，基于轴截面液位分布得到当前轴向倾角；对压力传感器环形阵列中每个阵元进行标号构成索引号，根据高液位一侧端面上压力传感器环形阵列中有效阵元的索引号，得到当前的绕轴仰角。
[0067]
液位分布式倾仰角检测器的检测方法具体步骤为：
[0068]
步骤1：参数初始化
[0069]
m
←
φ，u
thd
←
μ，k
←
k
′
，u
←
φ，其中，符号
←
表示赋值，m表示有效压力传感器轴向阵列索引集，φ代表空集，u
thd
表示电压差门限，μ由生产商预设，μ趋近于零，k表示压力传感器所在位置液体深度与对应检测电压的比值，矩阵u表示圆柱容器内腔壁液压分布所反映的检测电压分布，k
′
由用户对矩阵u的数据进行定期标定并线性拟合后获取，定期标定的时间可定为一年标定一次；用u的第n行第k列元素u
n,k
表示轴向自左至右第n环形阵列逆时针第k阵元所对应的检测电压，用u的第n行向量u
n,:
＝[u
n,1
,
…
u
n,k
]反映轴向自左至右第n压力传感器环形阵列所在内腔壁的液压分布，用u的第k列向量u
:,k
＝[u
1,k
,
…
u
n,k
]
t
反映压力传感器各个环形阵列的逆时针第k阵元所形成的轴向阵列所在内腔壁的液压分布，其中，n表示轴向自左向右共n个压力传感器环形阵列，k表示每个压力传感器环形阵列中共k个阵元；本实施例中，n＝19，k＝24；
[0070]
步骤2：采集零液压下的输出电压以赋值调零矩阵
[0071]
步骤2.1：将圆柱容器平放，即令轴向倾角θ≈0；
[0072]
步骤2.2：确定有效压力传感器轴向阵列
[0073]
控制器读取轴向自左至右第n压力传感器环形阵列所在内腔壁的液压分布控制器读取轴向自左至右第n压力传感器环形阵列所在内腔壁的液压分布采用如下公式计算有效压力传感器轴向阵列索引号m：
[0074][0075]
由此确定有效压力传感器轴向阵列，并构建有效压力传感器轴向阵列检测电压向量
[0076]
u
:,m
＝[u
0,m
,
…
u
n-1,m
]
t
；
[0077]
步骤2.3：读取与有效压力传感器轴向阵列对称的轴向阵列的检测电压
[0078]
f(m)
←
mod(k,m+k/2)，
[0079]
mod(x,y)表示以x为模对y进行取模，则索引号为f(m)的轴向阵列与索引号为m的轴向阵列关于轴线呈几何对称，
[0080]
u
′
:,f(m)
←
u
:,f(m)
[0081]
u
′
:,f(m)
即与有效压力传感器轴向阵列对称的零液压下的轴向阵列的检测电压，用于后续调零；步骤2.4：赋值调零矩阵
[0082]
u
′
(:,f(m))
←
u
′
:,f(m)
，
[0083]
其中u
′
为检测电压调零矩阵；
[0084]
步骤2.5：赋值有效压力传感器轴向阵列索引集：m
←
m∪{m}；
[0085]
步骤2.6：若有效压力传感器轴向阵列索引集m未完备则继续使之更完备
[0086]
若m达到完备，即m＝{1,
…
k}，则跳转步骤3，否则控制器通过数据输出模块提示用户将圆柱容器绕轴逆时针旋转一个角度，跳转至步骤2.2；
[0087]
步骤3：测试当前姿态下的轴向倾角θ
[0088]
若|u
:,m
(0)-u
′
:,m
(0)|>u
thd
，则采用适合轴向倾角较小的小轴向倾角计算公式，如下：
[0089]
θ＝sin-1
(k(|u
:,m
(n-1)-u
′
:,m
(n-1)|-|u
:,m
(0)-u
′
:,m
(0)|)/a0)
[0090]
其中，sin-1
(
·
)表示正弦反函数，a0表示圆柱容器的轴向长度；
[0091]
否则，采用适合轴向倾角较大的大轴向倾角计算公式，如下：
[0092]
θ＝sin-1
(k|u
:,m
(n-1)-u
′
:,m
(n-1)|/((n-n
′
+1)d))
[0093]
其中，d表示相邻压力传感器的轴向间距，n
′
的获取采用如下计算公式：
[0094]
n
′
＝min{n||u
:,m
(n)-u
′
:,m
(n)|>u
thd
,0≤n≤n-1}
[0095]
步骤4：测试当前姿态下的绕轴仰角采用如下计算公式：
[0096][0097]
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。