本實(shí)用新型涉及一種基于傳感器的測(cè)斜裝置，本實(shí)用新型是基于LVDT傳感器或振弦式傳感器而設(shè)計(jì)的新型測(cè)斜裝置，通過(guò)LVDT傳感器或振弦式傳感器感應(yīng)滑塊的位置狀態(tài)從而對(duì)傾斜進(jìn)行測(cè)量的裝置。

背景技術(shù)：

目前在結(jié)構(gòu)物、建筑物位移監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，水平位移變化是一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)對(duì)象，水平位移可通過(guò)人工測(cè)量、全站儀、位移傳感器、測(cè)斜儀等方法實(shí)現(xiàn)測(cè)量。其中測(cè)斜儀的測(cè)量基本原理是：通過(guò)傾斜角度的變化，通過(guò)三角函數(shù)的關(guān)系計(jì)算水平位移W=H*Sin(α)，其中H為盒式測(cè)斜儀安裝的高度，α為傾斜角度。

傳統(tǒng)傾斜測(cè)量方法為使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足行業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物水平位移測(cè)量，人工測(cè)量、全站儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，無(wú)法實(shí)時(shí)、全天候自動(dòng)測(cè)量。且全站儀設(shè)備昂貴、維護(hù)成本較高。

目前在監(jiān)測(cè)行業(yè)應(yīng)用的測(cè)斜儀敏感器件一般為MEMS（微機(jī)械電子測(cè)量系統(tǒng)）原理，其基本原理是將微小的容柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與芯片內(nèi)部，傾角發(fā)生變化時(shí)，容柵的之間的電容值發(fā)生變化，通過(guò)內(nèi)部的電容轉(zhuǎn)電壓（C/V轉(zhuǎn)換）電路轉(zhuǎn)換后，得到電壓值。即可實(shí)現(xiàn)傾角-電壓的輸出關(guān)系。由于其內(nèi)部設(shè)計(jì)精密、復(fù)雜，因此一般此類MEMS原理的傾角傳感器在成本、溫度特性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等方面存在一定的不足。

綜上所述，傳統(tǒng)傾斜測(cè)試的方法、裝置在雖然有一定的應(yīng)用場(chǎng)景，但在結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝要求、穩(wěn)定性等方面存在不足和局限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的在于提供一種基于傳感器的測(cè)斜裝置，解決的技術(shù)問(wèn)題就在于：1）使用傳感器作為敏感元件，通過(guò)測(cè)量滑塊的位置裝置進(jìn)行傾斜測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)，易于生產(chǎn)；2）利用LVDT或者振弦式傳感器自身穩(wěn)定性、溫度影響低的優(yōu)點(diǎn)，使得裝置穩(wěn)定性、溫度特性符合工程測(cè)量要求。

本實(shí)用新型為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

一種基于傳感器的測(cè)斜裝置，該裝置內(nèi)設(shè)置有四個(gè)傳感器，分別安裝于滑塊的四個(gè)側(cè)面，傳感器與滑塊之間通過(guò)金屬連接桿連接；

滑塊通過(guò)彈簧與外殼體相連。

所述四個(gè)傳感器的類型為L(zhǎng)VDT或者振弦式傳感器。

當(dāng)滑塊發(fā)生傾斜時(shí)，連接桿將滑塊位置變化產(chǎn)生的拉、壓應(yīng)力傳遞到LVDT傳感器或者振弦式傳感器。

滑塊通過(guò)彈簧與外殼體相連，彈簧可將滑塊的位置狀態(tài)進(jìn)行控制。

LVDT傳感器的一般工作原理是：磁性金屬拉桿放置在線圈磁場(chǎng)中，線性變化差分變壓器(LVDT) 是一種用于位置測(cè)量的通用器件，內(nèi)部包括一個(gè)初級(jí)線圈、兩個(gè)次級(jí)線圈以及一個(gè)可以自由移動(dòng)的磁芯。由于磁芯與線圈之間不接觸，磁芯的移動(dòng)不會(huì)與線圈產(chǎn)生摩擦。因此，在一些嚴(yán)酷的環(huán)境中，使用LVDT可以在機(jī)械上保證器件的可靠性。

線性可變差動(dòng)變壓器(LVDT) 主要由一個(gè)鐵芯和兩個(gè)線圈組成，由于無(wú)滑動(dòng)觸點(diǎn)，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，且功耗低，壽命長(zhǎng)。設(shè)原線圈L 的激勵(lì)電壓為U1 ，兩個(gè)次級(jí)線圈L1 ，L2 的感應(yīng)電壓分別為U21 ，U22 ，原線圈與兩個(gè)次級(jí)線圈的互感系數(shù)分別為M1 與M2 ，忽略磁滯渦流和耦合電容，則LVDT 的輸出電壓U21 ，U22 ，U2 的表達(dá)式如式(1) ～式(3)：

?U21 = jωM1?I1 (1)

?U22 = jωM2?I1 (2)

?U2 = ?U21 - ?U22 = jω(M1 - M2 ) ?I1 (3)

式中: I1 為主線圈中勵(lì)磁電流;M1 與M2 在中心位置的一段范圍內(nèi)與鐵心的位置呈線性關(guān)系，那么鐵芯的位移變化量與輸出電壓變化量呈良好的線性關(guān)系。

當(dāng)裝置水平放置未發(fā)生傾斜時(shí)，四個(gè)LVDT傳感器位移平均。裝置安裝后發(fā)生傾斜時(shí)，傾斜后滑塊由于重力加速度的影響，滑塊所在水平方向?qū)VDT傳感器1、2產(chǎn)生壓力，對(duì)3、4產(chǎn)生拉力，因而LVDT傳感器1、2的位移減小，LVDT傳感器3、4的位移增大。在實(shí)際生產(chǎn)制造時(shí)，LVDT傳感器的位移值-傾斜角度值的關(guān)系計(jì)算，按照位移變化的加權(quán)平均值與傾角值進(jìn)行擬合。

振弦式傳感器的一般工作原理是：振弦放置在磁場(chǎng)中，一定方式對(duì)振弦加以激振后，振弦將會(huì)發(fā)生共振，共振的弦線在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，可在拾振線圈中感應(yīng)出電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)的頻就是振弦的共振頻率。由力學(xué)原理可知，振弦的共振頻率與弦線所承受的張力或拉力與傳感器所承受的拉壓應(yīng)力大小成線性關(guān)系。

在裝置水平位置時(shí)，滑塊受彈簧的限位，處于居中狀態(tài)，四個(gè)振弦傳感器受的拉壓應(yīng)力平均。裝置安裝后發(fā)生傾斜時(shí)，如圖2所示，傾斜后滑塊由于重力加速度的影響，滑塊所在水平方向?qū)φ裣覀鞲衅?、2產(chǎn)生壓應(yīng)力，對(duì)3、4產(chǎn)生拉應(yīng)力，因而振弦傳感器1、2的振弦自由震蕩頻率降低，振弦傳感器3、4的振弦自由震蕩頻率升高。在實(shí)際生產(chǎn)制造時(shí)，振弦傳感器的頻率值-傾斜角度值的關(guān)系計(jì)算，按照頻率變化的平方加權(quán)平均值與傾角值進(jìn)行擬合。例如四個(gè)振弦式傳感器的初始頻率分別是f10、f20、f30、f40，測(cè)量值分別為f11、f21、f31、f41，角度值則為：k*[（f11-f10）2+（f21-f20）2+（f31-f30）2+（f41-f40）2]/4。其中K值為標(biāo)定系數(shù)，通過(guò)測(cè)量值與實(shí)際角度值標(biāo)定擬合得到。

本實(shí)用新型的有益效果：

本實(shí)用新型利用了LVDT傳感器或振弦傳感器、滑塊及輔助機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用LVDT傳感器或振弦傳感器作為敏感元件，由于LVDT傳感器或振弦傳感器自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)安全的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。LVDT傳感器或振弦傳感器生產(chǎn)簡(jiǎn)易、制造工藝難度小，因此本設(shè)計(jì)測(cè)斜裝置可解決傳統(tǒng)MEMS傾角傳感器制造難度大的問(wèn)題，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型發(fā)生傾斜時(shí)滑塊位置示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述：

一種利用LVDT傳感器作為敏感測(cè)量元件，通過(guò)測(cè)量滑塊的位置變化得到傾角變化的裝置。裝置設(shè)計(jì)有四個(gè)LVDT傳感器1、2、3、4，分別安裝于滑塊5的四個(gè)側(cè)面，兩者通過(guò)金屬連接桿6連接，當(dāng)滑塊發(fā)生傾斜時(shí)，連接桿6將滑塊5位置變化產(chǎn)生的拉、壓應(yīng)力傳遞到LVDT傳感器1、2、3、4。

本裝置是通過(guò)測(cè)量滑塊的傾斜裝置得到傾斜值，因此滑塊的位置可自滑塊5通過(guò)彈簧7與外殼體8相連，彈簧7可將滑塊5的位置狀態(tài)進(jìn)行控制。

LVDT傳感器的一般工作原理是：磁性金屬拉桿放置在線圈磁場(chǎng)中，線性變化差分變壓器(LVDT) 是一種用于位置測(cè)量的通用器件，內(nèi)部包括一個(gè)初級(jí)線圈、兩個(gè)次級(jí)線圈以及一個(gè)可以自由移動(dòng)的磁芯。由于磁芯與線圈之間不接觸，磁芯的移動(dòng)不會(huì)與線圈產(chǎn)生摩擦。因此，在一些嚴(yán)酷的環(huán)境中，使用LVDT可以在機(jī)械上保證器件的可靠性。

線性可變差動(dòng)變壓器(LVDT) 主要由一個(gè)鐵芯和兩個(gè)線圈組成，由于無(wú)滑動(dòng)觸點(diǎn)，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，且功耗低，壽命長(zhǎng)。設(shè)原線圈L 的激勵(lì)電壓為U1 ，兩個(gè)次級(jí)線圈L1 ，L2 的感應(yīng)電壓分別為U21 ，U22 ，原線圈與兩個(gè)次級(jí)線圈的互感系數(shù)分別為M1 與M2 ，忽略磁滯渦流和耦合電容，則LVDT 的輸出電壓U21 ，U22 ，U2 的表達(dá)式如式(1) ～式(3)：

?U21 = jωM1?I1 (1)

?U22 = jωM2?I1 (2)

?U2 = ?U21 - ?U22 = jω(M1 - M2 ) ?I1 (3)

式中: I1 為主線圈中勵(lì)磁電流;M1 與M2 在中心位置的一段范圍內(nèi)與鐵心的位置呈線性關(guān)系，那么鐵芯的位移變化量與輸出電壓變化量呈良好的線性關(guān)系。

當(dāng)裝置水平放置未發(fā)生傾斜時(shí)，四個(gè)LVDT傳感器位移平均。裝置安裝后發(fā)生傾斜時(shí)，如圖2所示，傾斜后滑塊由于重力加速度的影響，滑塊所在水平方向?qū)VDT傳感器1、2產(chǎn)生壓力，對(duì)3、4產(chǎn)生拉力，因而LVDT傳感器1、2的位移減小，LVDT傳感器3、4的位移增大。在實(shí)際生產(chǎn)制造時(shí)，LVDT傳感器的位移值-傾斜角度值的關(guān)系計(jì)算，按照位移變化的加權(quán)平均值與傾角值進(jìn)行擬合。

振弦式傳感器的一般工作原理是：振弦放置在磁場(chǎng)中，一定方式對(duì)振弦加以激振后，振弦將會(huì)發(fā)生共振，共振的弦線在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，可在拾振線圈中感應(yīng)出電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)的頻就是振弦的共振頻率。由力學(xué)原理可知，振弦的共振頻率與弦線所承受的張力或拉力與傳感器所承受的拉壓應(yīng)力大小成線性關(guān)系。

在裝置水平位置時(shí)，滑塊受彈簧的限位，處于居中狀態(tài)，四個(gè)振弦傳感器受的拉壓應(yīng)力平均。裝置安裝后發(fā)生傾斜時(shí)，如圖2所示，傾斜后滑塊由于重力加速度的影響，滑塊所在水平方向?qū)φ裣覀鞲衅?、2產(chǎn)生壓應(yīng)力，對(duì)3、4產(chǎn)生拉應(yīng)力，因而振弦傳感器1、2的振弦自由震蕩頻率降低，振弦傳感器3、4的振弦自由震蕩頻率升高。在實(shí)際生產(chǎn)制造時(shí)，振弦傳感器的頻率值-傾斜角度值的關(guān)系計(jì)算，按照頻率變化的平方加權(quán)平均值與傾角值進(jìn)行擬合。例如四個(gè)振弦式傳感器的初始頻率分別是f10、f20、f30、f40，測(cè)量值分別為f11、f21、f31、f41，角度值則為：k*[（f11-f10）2+（f21-f20）2+（f31-f30）2+（f41-f40）2]/4。其中K值為標(biāo)定系數(shù)，通過(guò)測(cè)量值與實(shí)際角度值標(biāo)定擬合得到。

安裝時(shí)，應(yīng)將本裝置采用螺絲或使用結(jié)構(gòu)膠與被測(cè)物進(jìn)行連接，使得本裝置可準(zhǔn)確快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)物的傾角變化。

工程測(cè)量使用時(shí)，在安裝完成后，應(yīng)對(duì)各個(gè)LVDT傳感器或振弦傳感器的初始頻率值進(jìn)行采集。在需要對(duì)角度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，采集當(dāng)前頻率值，并與各自的初始值進(jìn)行差值計(jì)算，得到頻率差值。