專利名稱：傾斜度傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種傾斜度傳感器，特別是一種在工程上可將偏離重力線的傾斜角度轉換成電信號輸出用于實時監測、記錄、報警等多種用途的傾斜度傳感器。
目前在例如打樁、壓路等施工中，樁機傾斜度的測量和路面坡度的測量通常是采用簡單的重力針或電位器進行的。這類方式所能提供的功能比較單一，無法做到連續實時的監測、記錄，無法就其測量結果對整個施工過程的施工質量作出評價，因而難以很好地保證施工質量。另外，這種方法測量不夠直觀，精度較差，使用也不夠方便，不利于在施工現場進行操作指導。
此外，在例如隧道掘進工程中，則采用如圖5(A)所示的電極電解質傳感器。該傳感器包括一比較精密的玻璃液泡，液泡內有液體電解質，并設有三個電極，這些電極插在電解質液中并從封閉的液泡引出其接線端。這種傳感器隨著掘進機械的傾斜，其液泡傾斜，但液體電解質液面仍保持水平，這樣電極間的電容(或體電阻)改變。如圖5(B)所示由該傳感器和兩個定電容組成交流電橋，當傳感器傾斜時，其電橋輸出的電壓幅值也發生改變，這樣就能將傾斜角度轉化成電信號輸出，經信號處理和數字處理后用于數字顯示等目的。這種電極電解質傳感器存在液體電解質受溫度的影響較大的問題，特別是在0℃以下溫度時會因凍結或結露而無法準確地檢測傾斜度。另外還存在有其玻璃液泡不耐振，易損壞等問題。另外，振動時電解液中隨機出現小泡影響測量。
本實用新型正是解決上述問題的，其目的在于提供一種能工作于寬溫度范圍和具有抗振性能的傾斜度傳感器。
本實用新型的另一目的是提供一種能把傾斜度轉換成電信號以作實時測量的傾斜度傳感器。
為達到上述目的，本實用新型的傾斜度傳感器包括固定體；固定在所述固定體上的軸承；軸接在所述軸承內可自由旋轉的旋轉軸；固定在所述旋轉軸一端，產生磁場的永磁體；固定在所述旋轉軸上，可通過其重力轉矩作用使所述旋轉軸轉動以便其指向與重力線重合的重力針；固定在所述固定體上，隨所述磁場方向的變化而使其磁敏電阻變化的磁敏元件。
如上所述的本實用新型的傾斜度傳感器還可包括接入所述磁敏元件的磁敏電阻以產生電信號輸出的信號輸出電路。而且，所述電信號輸出隨所述磁場方向的變化呈周期為180°的正弦波變化。
本實用新型的傾斜度傳感器，當待測體傾斜，固定于該待測體的傳感器的固定體也隨之一起傾斜，旋轉軸在重力針的重力轉矩作用下依靠軸承的作用相對固定體轉動以使其指向仍與重力線重合，這樣固定在旋轉軸一端的永磁體以及其產生的磁場仍保持原來的方向，而固定在固定體上的磁敏元件就會隨固定體一起傾斜，并因其相對于磁場方向的改變而使其磁敏電阻以一定的規律變化，從而起到傳感器作用。由于本實用新型的傾斜度傳感器所采用的磁敏元件和永磁體，其工作溫度范圍寬、且耐振，并且兩者可以無接觸，故而更為符合工程上的要求。
本實用新型的傾斜度傳感器，由于還包括接入所述磁敏元件的磁敏電阻以產生電信號輸出的信號輸出電路，這樣傾斜度傳感器可響應傾斜度改變而輸出變化的電信號，這種電信號輸出可直接被進一步實時處理以用作多種用途。
本實用新型的傾斜度傳感器，由于電信號輸出隨所述磁場方向的變化呈周期為180°的正弦波變化，因而電信號輸出為零處的導數為最大，即此處電信號輸出接近零時所測得的傾斜度角度值也就精確。因而可將電信號輸出為零處確定為相對傾斜角度的零位。
本實用新型的傾斜度傳感器，固定于某一傾斜位置的待測體上，這時所述重力針自然下垂處于垂直零線位置，即所述磁場方向和所述磁敏元件正好使所述電信號輸出為零的位置，則相對待測體當前傾斜位置的相對傾斜角度可如上面所述定作零。這樣，若待測體當前傾斜位置為重力線位置，該傳感器即可用于靈敏度高的絕對傾斜度測量。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作詳細說明，通過說明將會對其特點、效果了解得更為清楚。
圖1是本實用新型第一實施例傾斜度傳感器組件的部分剖視圖。
圖2是說明第一實施例的磁敏元件隨永磁體位置變化其磁敏電阻變化的說明圖。
圖3是本實用新型第二實施例的部分剖視圖。
圖4(A)和4(B)分別是第二實施例的磁敏元件和其信號輸出電路的說明圖。
圖5(A)和5(B)分別是已有技術的傳感元件和其信號輸出電路的說明圖。
圖1是本實用新型第一實施例傾斜度傳感器組件的部分剖視圖。下面，參照圖1說明該傳感器組件1的構造。圓筒21具有筒底21a，筒底21a的中央有一圓孔21b，旋轉軸25通過該圓孔21b。圓筒21的筒體由一內徑較大的第一筒體部21c和內徑較小的第二筒體部21d一體地形成，其中第二筒體部21d中固定嵌裝著一軸承22。該第二筒體部21d還如圖所示通過例如螺栓，在其與第一筒體部21c連接處所形成的臺階上，固定設置一圓環形壓板23，該壓板23得以將軸承22保持在它與筒底21a之間以阻止其沿軸向移動。軸承22與圓孔21b以及壓板23同軸配置，軸承22的軸孔22a的直徑比圓孔21b的孔徑略小，且恰好可使軸孔22的軸承面與旋轉軸軸接。這樣，旋轉軸25軸接在該軸孔22a中，當受到轉矩作用時就可以依靠軸承相對圓筒21等自如地轉動。圖1中示范性示出的軸承22是在極小的轉矩作用下即能轉動的例如雙列D級小摩擦系數軸承或C級小摩擦系數軍用軸承，當然比這等級更高的軸承以及摩擦系數足夠小的單列軸承也都是可以的，最好是采用陀螺框架上所用的這類軸承。在旋轉軸25插入圓筒21中的一端上，固定有用來使永磁體31定位并牢靠固定住的定位板26，當然也可直接固定永磁體31。永磁體31可采用磁鋼，例如是磁性較強的鋁鈷鎳磁鋼和釤鈷磁鋼。請參見圖3，旋轉軸25在圓筒體外的一端固定有一常規的重力針51。該重力針51包括例如是球形的重錘52和剛性的細直金屬桿53。金屬桿53的一端是直接通過旋轉軸25的中心軸線處的通孔后并與旋轉軸25固定的，金屬桿53的另一端則在重錘52的重心處與重錘52固定，金屬桿53在旋轉軸25旋轉時始終處于同一平面。重錘52的質量和其重心距旋轉軸25中心軸線的距離應足夠大，這可保證傳感器組件1有足夠高的靈敏度。再參見圖1，第一筒體部21c端部上如圖所示固定設置一封閉圓筒21開口部分的底板28。在該底板28筒內一側固定著焊接有磁敏元件41引腳(包括中心抽頭)的引線板29，引出的導線通到圓筒21的外面。
下面，參照圖2詳細說明圖1中的永磁體31和磁敏元件41。圖中，磁敏元件41與永磁體31相鄰設置，并位于與永磁體31的旋轉面相平行的平面上，處在該永磁體31的磁場中。磁敏元件41如圖所示是在一平面上按一定方向迂回繞制的電阻絲(NiCo金屬絲)，該電阻絲本身具有電阻R0，涂上磁粉后，在磁場中所產生的磁敏電阻R′以下式表示R′＝RVsin2θ＋RPcos2θ＝RV＋(RP－RV)cos2θ(RP＞RV)(式Ⅰ)
其中θ為磁場方向與電阻絲迂回方向間的夾角。可見，當磁場方向與迂回方向相互平行時，θ＝±kπ，R′＝RP為最大，RP為平行磁敏電阻；相互垂直時，θ＝ (π)/2 ±kπ，R′＝RV為最小，RV為垂直磁敏電阻。磁敏元件41的磁敏電阻隨永磁體31的磁場方向變化以周期為180°的正弦規律而變化。上述實施例1的傳感器組件正是通過永磁體31和磁敏元件41相對轉動所產生的磁敏電阻有規律的變化來感知傾斜角度的。
下面參照圖3說明本實用新型第二實施例傾斜度傳感器的構造。該傳感器有一可固定于待測體上的固定板2。該固定板2上有例如四個固定用螺孔2a、2b、2c和2d。固定板2上固定有旋轉架3，該旋轉架3上設有圓弧形槽3a、3b和3c，由螺釘3d、3e、3f分別通過槽3a、3b和3c旋進固定板2上的螺孔(未圖示)進行固定，固定前為下面述及的目的使旋轉架3稍作轉動進行調整。旋轉架3上固定有類似前面實施例所說明的傳感器組件1，旋轉架3和組件1的底板28是由螺釘20a、20b和20c固定的。另外，傳感器還包括一下面詳述的用于信號輸出的電路，固定板2上如圖所示架空設置著該電路的電路板4。電路板4上焊接著從組件1出來的護套管5中的三根引線5a、5b和5c，另外還焊接著四根引線6a、6b、6c和6d，這四根引線由護套管6通過固定板2上孔2e連接到傳感器外部。此外，固定板2上還如圖所示設有罩著上述部件的圓形罩殼7。固定板2上的所有配置均不影響傳感器組件1上的重力針51的自由轉動。當傳感器應用于有磁場的場合時，固定板2和罩殼7等都可由例如鐵磁體之類的導磁材料制成以屏蔽外界磁場。
下面參照圖4(A)和圖4(B)說明第二實施例的傳感器組件1及其信號輸出電路。本實施例的傳感器組件1與第一實施例在構造上基本相同，磁敏元件41則采用如圖4(A)所示的由涂有磁粉的電阻絲按相互垂直的兩個方向迂回而成的磁敏電阻，它有三個引腳，包括電阻絲的兩端41a和41c以及其中心抽頭41b，它們分別由前述的引線5a、5b和5c引出。其中電阻絲41a至41b垂直方向迂回設置，而電阻絲41b至41c水平方向迂回設置，兩段電阻絲長度基本相同，因而無磁場時電阻均為R0。將如圖4(A)所示處于磁場中的磁敏元件41的兩個電阻RA和RB接入如圖4(B)所示的直流電橋電路中，則電橋輸出u如下式所示u＝VCC( (RB)/(RA+RB) － (R0)/(R0+R0) )＝VCC( (R0+RB')/(R0+RA'+R0+RB') － 1/2 )電阻RA、RB的磁敏電阻RA′、RB′遠小于R0，即RA′、RB′＜＜R0故可推得u＝ (VCC)/2 (RB'-RA')/(2R0) (式Ⅱ)設磁場方向與電阻RA間的夾角為θ，則與RB間的夾角為θ＋ (π)/2 ，則由式Ⅰ，RA′＝RV＋(RP－RV)cos2θRB′＝RV＋(RP－RV)cos2(θ＋ (π)/2 )＝RV＋(RP－RV)sin2θ這兩式代入式Ⅱ中則為(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 )可見電壓輸出是隨所述磁場方向的變化呈周期為180°的正弦波變化，并在θ＝45°時電壓輸出u＝0，此時電壓隨角度θ的變化最為靈敏，通過轉動前述旋轉架3調節θ值使θ＝ (π)/4 ；ψ＝0，電壓輸出u＝0，以該位置作為測量零點，就能測出微小的相對傾斜角度ψ。
圖4(B)中的直流電壓VCC由引線6a、6b提供，電壓信號則經引線6c，6d輸出用作進一步處理，例如經接口輸入微機，以進行運算、顯示、打印或監視報警。
在圖4(A)中，一般應使磁鋼31的旋轉中心軸與磁敏元件41的中心軸線對準，這樣可確保電壓輸出u上下對稱無失真，也就無需微機利用軟件進行校準了。另外最好使磁鋼31與磁敏元件間的氣隙控制在2－3mm以使磁敏元件41處于較強的均勻磁場中。另外為使磁鋼磁敏元件更牢靠地固定于轉軸底板上，可用環氧樹脂24(參見圖1)或橡膠澆封進行固定。
上面這些實施例均是以測一維傾斜度的傳感器作說明的，但兩個本實用新型所述的一維傳感器使其固定板間的夾角為一恒定角度例如直角固定于待測體上時，就可測出其相對任一方向的傾斜角度。另外傳感器固定于待測體上時，可利用螺釘固定，也可采用隨動的方式，靠樞軸之類構件懸掛在待測體上，這時傳感器的固定板上還可包括一在同樞軸方向相垂直方向上的重錘。
本實用新型的傾斜度傳感器顯然可以部分地按前述說明的實施例進行實施，但應理解對于不超出本實用新型實質的變形都應歸于后面的權利要求所要求的保護范圍。
權利要求1.一種傾斜度傳感器，其特征在于包括固定體；固定在所述固定體上的軸承；軸接在所述軸承內可自由旋轉的旋轉軸；固定在所述旋轉軸一端，產生磁場的永磁體；固定在所述旋轉軸上，可通過其重力轉矩作用使所述旋轉軸轉動以便其指向重合在重力線上的重力針；固定在所述固定體，隨所述磁場方向的變化而使其磁敏電阻變化的磁敏元件。
2.如權利要求1所述的傾斜度傳感器，其特征在于還包括接入所述磁敏元件的磁敏電阻以產生電信號輸出的信號輸出電路。
3.如權利要求2所述的傾斜度傳感器，其特征在于所述磁敏元件由兩個迂回方向相互垂直的磁敏電阻串聯連接而成；所述信號輸出電路是所述磁敏元件與兩個串聯電阻并聯構成的直流電橋電路；所述電信號輸出是所述磁敏元件兩個磁敏電阻中間的抽頭與兩個串聯電阻的中間抽頭之間的電壓信號。
4.如權利要求2或3所述的傾斜度傳感器，其特征在于所述電信號輸出隨所述磁場方向的變化呈周期為180°的正弦波變化。
5.如權利要求1或2所述的傾斜度傳感器，其特征在于所述固定體包括可用于固定在待測體上的第一殼體；封閉和固定所述磁敏元件、軸承等的第二殼體；固定在所述第一殼體內，用于轉動調整所述第二殼體位置并固定該第二殼體的旋轉架。
6.如權利要求1或2所述的傾斜度傳感器，其特征在于所述永磁體為鋁鈷鎳磁鋼或釤鈷磁鋼。
7.如權利要求6所述的傾斜度傳感器，其特征在于所述磁鋼與所述磁敏元件相鄰設置，所述磁鋼的旋轉平面平行于所述磁敏元件磁敏電阻絲所在平面，并具有2－3mm的氣隙。
8.如權利要求1或2所述的傾斜度傳感器，其特征在于所述軸承為雙列小摩擦系數軸承。
9.如權利要求5所述的傾斜度傳感器，其特征在于所述外殼由導磁材料制成。
10.如權利要求1或2所述的傾斜度傳感器，其特征在于所述永磁體由環氧樹脂或橡膠固定在所述旋轉軸上，所述磁敏元件由環氧樹脂或橡膠固定在所述固定體上。
專利摘要本實用新型所揭示的傾斜度傳感器包括可固定在待測體上的固定體；固定在所述固定體上的軸承；軸接在所述軸承內可自由旋轉的旋轉軸；固定在所述旋轉軸一端，產生磁場的永磁體；固定的所述旋轉軸，可通過其重力轉矩作用使所述旋轉軸轉動以便其指向與重力線重合的重力針；固定在所述固定體上，隨所述磁場方向變化而使其磁敏電阻變化的磁敏元件。因而其工作溫度范圍寬、且耐振，而適合工程上應用。
文檔編號G01C9/00GK2149603SQ9320232
公開日1993年12月15日 申請日期1993年1月28日 優先權日1993年1月28日
發明者徐偉鴻, 蔡宜立 申請人:上海市電機技術研究所