一种磁性液体水平倾角传感器

1.本技术实施例涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种磁性液体水平倾角传感器。


背景技术：

2.在很多工作场合中，都需要测量被测对象与水平面的相对角度，例如桥梁、水坝等。同时，还有许多工程机械的调平，卫星导弹发射角度等都需要倾角传感器。
3.目前常见的市面上的倾角传感器都是摆式的，分为液体摆气体摆和固体摆三种。这些传感器大多数都结构复杂，成本较高，有些还对测量环境上有很多要求限制。而利用磁性液体的特性硏发而成的磁性液体倾角传感器可以摆脱上述缺点的同时使得线性度、可靠性和分辨率更高。
4.然而，相关技术中的磁性液体倾斜角传感器在测量三维空间倾斜角时较为不便。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种磁性液体水平倾角传感器，旨在提高测量三维空间倾斜角时的便利性。
6.本技术实施例提供一种磁性液体水平倾角传感器，包括：
7.环形管；
8.磁性液体，所述磁性液体位于所述环形管内，且所述磁性液体的体积为所述环形管容积的1/2；
9.还包括线圈组件，所述线圈组件包括第一感应线圈、第二感应线圈和激励线圈；
10.所述第一感应线圈、所述第二感应线圈和所述激励线圈均绕制在所述环形管上；
11.其中，所述第一感应线圈和所述第二感应线圈分别占据一半长度的所述环形管，且所述第一感应线圈和所述第二感应线圈对称分布在所述环形管上，所述第一感应线圈与所述第二感应线圈反向串联连接；
12.所述激励线圈沿着所述环形管的长度方向绕制，且所述激励线圈位于所述第一感应线圈和所述第二感应线圈外侧，所述激励线圈与外接电源连接。
13.可选地，所述传感器还包括信号放大电路，所述信号放大电路与所述第一感应线圈和所述第二感应线圈连接。
14.可选地，所述第一感应线圈的匝数和所述第二感应线圈的匝数相等。
15.可选地，所述环形管上设置有多个绝缘部，所述多个绝缘部沿着所述环形管的长度方向均匀间隔设置在所述环形管上；
16.所述第一感应线圈、所述第二感应线圈和所述激励线圈通过所述多个绝缘部绕制在所述环形管上。
17.可选地，所述绝缘部上设置有固定部，所述固定部用于固定所述第一感应线圈、所述第二感应线圈和所述激励线圈。
18.可选地，所述固定部设置为固定孔或固定槽。
19.可选地，所述环形管的材料包括：玻璃或亚克力。
20.可选地，所述激励线圈与所述第一感应线圈和所述第二感应线圈等距缠绕。
21.可选地，所述外接电源为交流电源。
22.可选地，所述磁性液体为机油基磁性液体。
23.有益效果：
24.本技术提供一种磁性液体水平倾角传感器，通过设置环形管以及位于环形管内的磁性液体，使磁性液体的体积为环形管容积的一半，并且再设置第一感应线圈、第二感应线圈和激励线圈，并使第一感应线圈和所述第二感应线圈对称分布在环形管上，且第一感应线圈与第二感应线圈反向串联连接，再将激励线圈与外接电源连接；这样，利用激励线圈可以产生磁场，在测量倾斜角时，环形管由水平状态改变至倾斜状态，此时磁性液体的流动性会使磁性液体的液面发生改变，从而使环形管两侧的磁性液体体积发生变化，而由于激励线圈产生的磁场，第一感应线圈和第二感应线圈会产生感应电压，同时由于环形管两侧磁性液体体积变化导致磁导率改变，使得第一感应线圈和第二感应线圈产生的感应电压不同，进而输出电压差，根据电压差再计算便可以得到倾斜角的大小，如此便使得传感器可以直接测量出三维空间倾斜角，且整个传感器的结构较为简单，使用更为便利。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本技术一实施例提出的一种磁性液体水平倾角传感器的平面结构示意图；
27.图2是本技术一实施例提出的一种磁性液体水平倾角传感器水平放置时的侧视结构示意图；
28.图3是本技术一实施例提出的一种磁性液体水平倾角传感器倾斜放置时的侧视结构示意图。
29.附图标记说明：1、环形管；2、磁性液体；3、线圈组件；4、绝缘部。
具体实施方式
30.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.参照图1所示，为本技术实施例公开的一种磁性液体水平倾角传感器，包括环形管1、磁性液体2和线圈组件3，其中，线圈组件包括第一感应线圈、第二感应线圈和激励线圈。
32.具体地，环形管1可以选用玻璃或亚克力材质，或者选用其他透明材质，以利于观察环形管1内部情况。在传感器处于未使用状态时，环形管1沿圆环的直径方向水平放置。
33.磁性液体2位于环形管1内，磁性液体2选用机油基磁性液体，机油基磁性液体具有
较好的流动性，可以更有利于倾斜角的检测。在具体应用时，可以在密封环形管前将磁性液体2注入环形管1内。同时，磁性液体2的体积为环形管1容积的1/2，即，在环形管1水平放置时，磁性液体2的液面高度为环形管1的本身管体直径的1/2，这样，在环形管1以任一直径线为轴线发生转动时，以该直径线为中心线，便会有一定体积的磁性液体2流向环形管1的一侧，此时，环形管1内一侧的磁性液体2的体积增加，另一侧的磁性液体2的体积减小，且磁性液体2增加和减小的量相同，磁性液体2发生相同体积的变化，可以保证传感器的检测更加准确。
34.第一感应线圈和第二感应线圈绕制在环形管1的外壁上，且第一感应线圈和第二感应线圈分别占据一半长度的环形管1。具体地，在绕制第一感应线圈和第二感应线圈时，先将第一感应线圈绕制到环形管1上，直至绕制的第一感应线圈包覆了一半的环形1管后，再将第二感应线圈绕制到环形管1上，并使第二感应线圈包覆另一半的环形管1，且第一感应线圈和第二感应线圈缠绕的匝数相等，从而实现第一感应线圈和第二感应线圈在环形管1上的对称分布，使得第一感应线圈和第二感应线圈的对称线为环形管1的一个直径线。在测量倾角时，则是以第一感应线圈和第二感应线圈对称线为轴线，使环形管1进行转动。
35.同时，第一感应线圈和第二感应线圈之间采用反向串联连接。
36.在绕制完成第一感应线圈和第二感应线圈后，再沿着环形管1的长度方向将激励线圈绕制到环形管1上第一感应线圈和第二感应线圈的外侧，且激励线圈与第一感应线圈和第二感应线圈等距。激励线圈的两端与外接电源连接，具体地，外接电源为交流电源。
37.这样，在通入外接电源后，激励线圈便会产生磁场，同时第一感应线圈和第二感应线圈会相应地产生感应电压，而在环形管1以第一感应线圈和第二感应线圈的对称线进行转动时，由于环形管1内磁性液体体积的变化，环形管1以该对称线为中心线的两侧的混合磁导率会相应地发生变化，在混合磁导率的影响下，第一感应线圈和第二感应线圈产生的感应电压也会不同。
38.因此，第一感应线圈和第二感应线圈之间会出现电压差，使传感器会输出该电压差的值，再根据这个电压差便可以得到环形管1转动的角度，进而实现三维空间倾斜角的测量。
39.如此便解决了相关技术中传感器测量三维空间倾斜角不便的问题，且本技术所公开的传感器整体结构简单，生产成本低，更便于组装制作。
40.本技术实施例公开的传感器对三维空间倾斜角的计算如下：
41.假设激励线圈中的电流i＝i
0 sinωt；
42.则环形管1内的磁感应强度：
[0043][0044]
其中，l为激励线圈的长度，n为激励线圈的匝数，μ为磁性液体2与空气的混合磁导率，i0为外接电源的输入电流。
[0045]
通过第一感应线圈和第二感应线圈的磁通量
[0046]
其中，n1为第一感应线圈和第二感应线圈的匝数，s0为环形管1的横截面积。
[0047]
因此，可以得到，第一感应线圈和第二感应线圈产生的感应电压为：
[0048][0049]
而混合磁导率μ＝kμm+(1-k)μ0；
[0050]
其中，μm为磁性液体的磁导率，μ0为空气的磁导率，k为磁性液体2在第一感应线圈或第二感应线圈中的体积与环形管1总容积的比值。
[0051]
即，
[0052]
其中，vm是磁性液体2在第一感应线圈或第二感应线圈中的体积，v是第一感应线圈或第二感应线圈包围环形管1的体积。
[0053]
当传感器转动一个角度α1时，环形管1内磁性液体2体积的变化为：
[0054][0055]
其中，l1是第一感应线圈或第二感应线圈的长度，且在本技术中2π(r-r)＝3l1，即单个感应线圈长度为环形管1长度的1/3，r是环形管1的内截面半径，r是环形管1整体的半径。
[0056]
则可以得到：
[0057][0058]
因此，第一感应线圈部分的混合磁导率为：
[0059][0060]
第二感应线圈部分的混合磁导率为：
[0061][0062]
将第一感应线圈部分的混合磁导率和第二感应线圈部分的混合磁导率分别代入计算感应电压的公式，可以得到第一感应线圈和第二感应线圈之间的电压差为：
[0063][0064]
再将磁性液体2的磁导率μm＝μ0(1+χ)，式中χ为磁化系数；环形管1横截面积s0＝πr2；激励线圈单位长度上的匝数代入上式中得：
[0065][0066]
第一感应线圈和第二感应线圈的输出压经过整流滤波放大后，所得的电压为：
[0067]
u0＝λχnn1i0r(r-r)α1f
[0068]
其中，f为通过激励线圈的电流频率，λ为常数。
[0069]
再假设传感器的灵敏度为σ，可以得到：
[0070][0071]
由此可见输出电压和倾角变化之间是线性关系，因此可以对倾角进行标定。
[0072]
即，倾角的大小为：
[0073][0074]
在一种实施例中，为了更好地获取第一感应线圈和第二感应线圈输出的电压差，该传感器还包括信号放大电路，信号放大电路与第一感应线圈和第二感应线圈连接，利用信号放大电路可以放大第一感应线圈和第二感应线圈输出的电压差，从而更有利于倾斜角的检测。
[0075]
在一种实施例中，环形管1上设置有多个绝缘部4，多个绝缘部4沿着环形管1的长度方向均匀间隔设置。
[0076]
具体地，绝缘部4采用绝缘材料，例如橡胶。同时，第一感应线圈、第二感应线圈和激励线圈均通过绝缘部绕制到环形管1上，这样，利用多个绝缘部4可以解决线圈绕线困难的问题，方便了电路的连接，减少了信号之间的干扰。
[0077]
同时，绝缘部4上还设置有固定部，利用固定部可以进一步更好地的固定第一感应线圈、第二感应线圈和激励线圈。在具体应用时，固定部可以是固定孔，也可以是固定槽等。
[0078]
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
[0079]
还需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
[0080]
以上对本技术所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术，在具体实施方式及应用范围上均会有不同形式的改变之处，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本技术的保护范围之中。