專利名稱：氣體擺式傾角傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氣體擺式傾角傳感器。
傾角傳感器都是基于“擺”的工作原理，即利用重力場內“擺”力圖保持在鉛垂方向的特性來設計各種傾斜儀。電位器式、電容式和電感式傾斜儀都是利用固體擺錘將傾角轉變成相應的電阻、電容或電感量的變化，它們均屬于固體擺式傾角傳感器;電解液式傾斜儀則是利用浸入電解液的電極深度隨傾斜角改變的工作原理，它屬于液體擺式傾斜儀。
上述固體擺式和液體擺式傾斜儀，都不同程度地存在以下不足結構復雜，制作工藝難度大，且抗沖擊和振動性能差，動態(tài)范圍狹窄。
本發(fā)明的目的在于提供一種采用“氣體擺”代替“固體擺”或“液體擺”的傾角傳感器。該傳感器稱氣體擺式傾角傳感器，其抗沖擊和振動性能好，機械結構簡單，能直接輸出跟傾角大小成正比的模擬電壓。
根據(jù)傳熱學理論，當有密度梯度的氣體受重力作用時便會產生自然對流，密度梯度可由溫度梯度引起。因此，將熱敏絲置于氣體擺的密封氣體腔內并對其通電加熱，則腔內氣體形成溫度梯度，在重力作用下則產生自然對流。若使傳感器傾斜一個角度，而氣流仍保持在鉛垂方向，這樣就制成一個具有單擺特性的“氣體擺”。
本發(fā)明的目的可以通過以下措施來達到氣體擺式傾角傳感器由敏感元件、信號處理電路和殼體組成。其發(fā)明點是敏感元件采用置于密封氣體腔內的熱敏電阻絲。密封氣體腔的殼體可以是圓柱形或者球形，選用導熱良好的材料制作，以便減小熱漂移。熱敏電阻絲選用電阻溫度系數(shù)大、穩(wěn)定性好的金屬絲。利用傳感器的傾斜角度直接改變熱敏絲與氣體自然對流方向之間的幾何位置關系，從而改變熱敏絲的溫度，致使熱敏絲的阻值改變。通過電橋電路即可得到與傾角成比例的直流電壓信號。由該電壓的極性，確定傾角的方向。
以下結合
氣體擺式傾角傳感器的工作原理。
圖1是氣體擺式傾角傳感器的結構示意圖。
圖2是平行排列熱敏絲的氣體擺剖視圖。
圖3是氣體擺式傾角傳感器的電橋電路原理圖。
圖4是交叉排列熱敏絲的氣體擺俯視圖和正視圖。
參看圖1，氣體擺式傾角傳感器由氣體擺1、信號處理電路2和外殼3組成。外殼3上的多芯插座4用于外接電源和輸出信號。
圖2是平行排列熱敏絲的氣體擺剖視圖。殼體5、端蓋6和螺釘7等構成氣體擺的密封腔8。該實施例中密封腔為圓柱形。銅電極11有四根，通過絕緣層(如玻璃)12封裝到殼體5上。殼體5、端蓋6及螺釘7均采用導熱性好的銅或鋁等金屬材料制作。密封腔8內氣體為空氣或其它氣體。熱敏絲9和10選用電阻溫度系數(shù)大和穩(wěn)定性好的金屬材料，如Pt絲，其直徑為0.1～100μm。兩熱敏絲分別焊接在四根銅電極上，并平行于圓柱形內腔的軸線，其間距為0.5～5mm，絲長為2～20mm。
圖3是氣體擺式傾角傳感器的電橋電路原理圖。圖中r1、r2分別代表圖2中熱敏電阻絲9和10，并與參考電阻R1和R2構成電橋電路。Vh為直流電壓源，Vo為電橋輸出電壓。當接通電橋電源時，熱敏絲9和10被加熱至工作溫度300～500℃，其周圍氣體溫度升高、密度減小，在重力作用下即產生自然對流。當氣體擺沒有傾斜時，熱敏絲9和10處于同一水平面內，熱氣流均豎直向上，相互之間熱量交換相等，r1、r2阻值不變，調整參考電阻R1和R2使電橋保持平衡。當氣體擺繞其敏感軸(即平行于熱敏絲的長度方向)傾斜一個角度時，兩熱敏絲不再處于同一水平面內，位置高的熱敏絲將受熱氣流影響，溫度升高，阻值增加;位置低的熱敏絲則受冷氣流影響阻值減小，從而使電橋失去平衡，輸出與傾角成比例的電壓信號。
圖4是本發(fā)明的另一個實施例，即交叉排列熱敏絲的氣體擺式傾角傳感器。其外殼由上蓋14、底座13和設置熱敏絲9、10的密封氣體腔15構成。圖4(a)是氣體擺的底座13的俯視圖。圖4(b)是氣體擺的正視圖。該實施例中密封氣體腔15為球形。兩熱敏絲9和10交叉焊接在四根電極11上，熱敏絲9被熱敏絲10分成9a和9b兩部分，每根熱敏絲長為2～20mm，直徑為0.1～100μm。電極11通過絕緣層12封裝到底座13上。電極從底座下方露出，以便焊接引線。底座13與上蓋14通過四個螺釘(螺釘孔16)上下固定。從而組成完整的氣體擺。電極11、上蓋14、底座13及螺釘均選用導熱良好的材料制作，以便減小熱漂移。
交叉排列熱敏絲的氣體擺式傾角傳感器的電橋電路原理圖仍參見圖3，此時r1和r2分別代表圖4中熱敏電阻絲9a和9b，其它參數(shù)含義不變。當接通電橋電源時，熱敏絲9a和9b被加熱至工作溫度300～500℃，其周圍氣體溫度升高，密度減小，在重力作用下即產生自然對流。當氣體擺沒有傾斜時，熱敏絲9a和9b處于同一水平面內，其間熱交換相同，調整R1和R2，使電橋保持平衡。當氣體擺繞其敏感軸(即在水平面內并垂直于熱敏絲9的長度方向)旋轉一個角度時，則9a和9b不再處于同一水平面內，位置較高的部分將受熱氣流影響，溫度上升，阻值變大;位置較低的部分受冷氣流影響阻值減小，從而使電橋失去平衡，輸出跟傾角成比例的電壓信號。
為了獲得所需的靈敏度及線性度，需要對電橋輸出信號進行處理。氣體擺式傾角傳感器的信號處理電路由放大、補償和濾波等部分組成。補償電路包括零位補償，溫度補償和非線性補償?shù)取?br>
氣體擺式傾角傳感器采用±5～±15VDC電源供電。電橋可以帶有零位補償?shù)目烧{電位器，其有效輸出可達±50mV，選擇適當參數(shù)即可得到大于300mV/°的比例系數(shù)。其動態(tài)范圍可達±45°。
本發(fā)明可用于建筑、機械、水利、交通、鐵道工程、橋梁建設、地質鉆探，以及各種測斜定向系統(tǒng)。
權利要求
1.一種傾角傳感器由敏感元件、信號處理電路及殼體組成，其特征是敏感元件采用置于密封氣體腔內的熱敏電阻絲。
2.一種如權利要求1所述的傾角傳感器，其特征是密封氣體腔內的氣體是空氣或其它氣體。
3.一種如權利要求1所述的傾角傳感器，其特征是密封氣體腔可以是圓柱形或者球形。
4.一種如權利要求1或2所述的傾角傳感器，其特征是熱敏電阻絲是電阻溫度系數(shù)大、穩(wěn)定性好的金屬絲。
5.如權利要求1所述的傾角傳感器，其特征在于熱敏絲排列成平行式或交叉式。
6.如權利要求1、2所述的傾角傳感器，其特征是密封氣體腔的殼體用導熱性好的金屬材料制成。
全文摘要
一種氣體擺式傾角傳感器，敏感元件采用置于密封氣體腔內的熱敏絲。利用傳感器相對于鉛垂方向有傾斜時，通電加熱的熱敏絲因密封腔內氣體對流的變化，使熱敏絲電阻值改變，通過電橋電路和信號處理電路，輸出正比于傾角大小的電壓信號。熱敏絲的排列可以是平行式或交叉式。這種傳感器的抗沖擊和振動性能好，機械結構簡單。其動態(tài)范圍±45°，精度優(yōu)于10
文檔編號G01C9/00GK1064351SQ92100599
公開日1992年9月9日 申請日期1992年2月11日 優(yōu)先權日1992年2月11日
發(fā)明者張福學, 陳占先, 羅玉華 申請人:北京信息工程學院