專利名稱：氣泡電容式水平度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種對物體水平度敏感的氣泡電容式水平度傳感器裝置。
檢測物體的水平狀態(tài)是測量和控制工程中常見的工作內(nèi)容，實際中使用最多的是管形或圓形氣泡式水準器，因為其具有使用方便、成本低廉等特點，可以滿足中等精度要求的應用。但是，氣泡式水準器依賴于操作者的目視判讀，容易產(chǎn)生觀察誤差，又因不能直接示值，所以無法應用在自動控制系統(tǒng)中。
本實用新型的目的是要提供一種氣泡電容式水平度傳感器，其能夠自動地將被測物體的水平度變化轉(zhuǎn)換為傳感器輸出端的以電容量變化為形式的輸出信號，為測量和控制水平度的自動控制工程提供一種新型的傳感器裝置。
本實用新型的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)在一密閉的絕緣容器中充注著占大部分容積的一種導電性良好的液體，并留有一定容積的空氣形成一個氣泡。導電液體中安置有電極引線，電極引線在容器內(nèi)的一端始終和導電液體保持接觸，而通至容器外的一端作為傳感器的一公共端點，使導電液體成為一個隨水平度變化而變化的電容器動片。在容器外殼表面的適當位置上安置了數(shù)個間隔均勻?qū)ΨQ排列的電容極板，各電容極板的形狀相同，成為數(shù)個電容器靜片。位于導電液體和電容極板之間的容器殼壁和氣泡，則成為以上電容器動片和靜片之間的介電物質(zhì)。如此，由容器內(nèi)的導電液體所形成的一個電容器動片，相對于容器外表數(shù)個電容極板形成的數(shù)個電容靜片，成為一組以電極引線為公共端點的多聯(lián)差動可變電容器，也就是本傳感器的等效電路。
傳感器的工作原理如下將傳感器置于被測物體的基準平面上，當傳感器工作在水平狀態(tài)時，氣泡位居容器內(nèi)上部中央，和各電容極板相對應的面積均相等，此時導電液體和各個電容極板之間相對應的面積也相等，即電容器動片和各靜片相對應的面積相等，所以電容器各聯(lián)的電容量也相等；當傳感器工作在傾斜狀態(tài)時，氣泡位置偏離中央而移向一側(cè)，致使導電液體和各電容極板之間相對應的面積不等，即電容器動片和各靜片相對應的面積不等，所以電容器各聯(lián)的電容量不等，位置變高的一側(cè)由于動片和靜片間的面積變小致使此聯(lián)電容量減小，而位置變低的一側(cè)由于動片和靜片間的面積變大致使此聯(lián)電容量增大，在傳感器的允許工作角度內(nèi)，傳感器傾斜越嚴重，各聯(lián)電容器之間的電容量差值就越大，這種呈差動規(guī)律的電容量變化，反映出傳感器傾斜的方向和程度。綜上所述，氣泡電容式水平度傳感器就是這樣把被測物體的水平度變化轉(zhuǎn)換成為以各電容極板和電極引線為傳感器輸出端的電容量信號形式輸出，取代了現(xiàn)有氣泡式水準器以肉眼觀察的形式，具有實質(zhì)性的重大改進。
基于上述原理和技術(shù)方案制作的氣泡電容式水平度傳感器，可按其形狀分為管形、圓形和球形三種基本形式。以上各種形式的傳感器都必須滿足以下條件1、傳感器的容器必須用絕緣材料制作，其介電常數(shù)盡可能大，為了方便觀察腔內(nèi)，在強度允許的條件下優(yōu)先選用透明材料制作，容器的尺寸要求精確和對稱，熱變形小。2、傳感器容器內(nèi)充注的導電液體應導電良好，性能穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)小。3、電板引線的數(shù)量和位置應保證在傳感器的允許工作角度范圍內(nèi)，電極引線始終和導電液體保持著接觸。4、電容極板的設(shè)置應保證傳感器在水平狀態(tài)時各聯(lián)電容器的電容量相等，而傳感器在傾斜狀態(tài)時各聯(lián)電容器的電容量不等，并呈差動變化規(guī)律，在用于自動控制時電容極板的數(shù)量應和被測物體的支點數(shù)量相同，以便對應進行控制。5、為了減小傳感器在劇烈晃動時，導電液體激蕩飛濺的不良影響，傳感器應有適當?shù)淖枘?，為此除了導電液體應粘度適當外，本實用新型首創(chuàng)了以輕質(zhì)絕緣材料制作成氣泡狀的浮塊替代空氣氣泡的方法，既可以利用浮塊和容器間的適度摩擦實現(xiàn)阻尼防止往復振蕩，又可以減少環(huán)境溫度變化造成液體和氣體體積變化而帶來的不良影響。球型氣泡電容式水平度傳感器因其氣泡容積大，可以用輕質(zhì)絕緣材料制作的薄片狀浮板達到上述目的，并可在殼體為透明材料時通過在浮板上安放磁針以指示方位。
由于本實用新型利用了液體在重力作用下自動水平和差動電容器的原理，使被測物體的水平度狀態(tài)和改變能通過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康碾妳⒘啃盘栞敵?，在和傳感器配套的放大電路等外部設(shè)備作用下，可以將傳感器的水平度檢測精度比較現(xiàn)有的氣泡式水準器提高許多，同時還具有檢測角度范圍擴大、工作穩(wěn)定可靠，制作成本不高等特點，能廣泛應用于各種工作平臺的水平度檢測和自動控制，能和機械分度盤配合完成角度測量，也可以應用于軍事領(lǐng)域中各種武器平臺的高低射角檢測和控制，在民用和軍用領(lǐng)域中有著廣泛的應用的前景。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
示例對本實用新型做進一步的詳細說明

圖1、圖2和圖3是管形氣泡電容式水平度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是其等效電路圖。傳感器殼體(1)為一個平臥管形容器，圖中采用玻璃材料制作，容器外表面上部沿軸向安置了2個電容極板(2)，電容極板在容器徑向中心線兩側(cè)對稱分布，形狀相同，電容極板可以用金屬薄片制作并粘貼在容器上，也可以在容器外表面涂鍍導電薄膜后腐蝕光刻而成。容器內(nèi)腔充注了占大部分容積的導電液體(3)，并留有一定容積的空氣形成一個氣泡(4)，導電液體要求其導電性良好并且性能穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)小。容器內(nèi)的導電液體通過一個引至殼體外的電極引線(5)作為接線端，也是傳感器等效的雙聯(lián)差動電容器的公共端點o。傳感器的等效電路為圖4所示，兩個電容極板和導電液體之間形成一組雙聯(lián)差動電容器，a端點和o端點之間為一聯(lián)電容器，b端點和o端點之間為另一聯(lián)電容器，水平狀態(tài)時，雙聯(lián)電容器的電容量相等，傾斜狀態(tài)時，雙聯(lián)電容器的電容量呈差動規(guī)律變化。管形傳感器的檢測方向有限，只適合檢測其軸向的水平度變化，對垂直于軸向的水平度變化則不能檢測。
圖5、圖6是圓形氣泡電容式水平度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7是其等效電路圖。傳感器殼體(1)為一個直立圓形容器，容器外表面上部沿圓周方向均勻分布了形狀相同的3個電容極板(2)，容器內(nèi)腔充導電液體(3)并留有空氣形成一個氣泡(4)，電極引線(5)作為導電液體和外電路的接線端，也是傳感器等效的三聯(lián)差動電容器的公共端點o。傳感器的等效電路為圖7所示。3個電容極板和導電液體之間形成一組三聯(lián)差動電容器，a、b、c三個端點各與o端點之間形成一聯(lián)電容器，其工作原理與管形傳感器相同，圓形傳感器的檢測方向較管形傳感器的檢測方向范圍大，為平面方向上的360°角度范圍，但是和管形傳感器相同的是，由于容器內(nèi)氣泡可移動范圍有限，在垂直于水平面方向的俯仰角度檢測范圍仍然有限。
圖8，圖9和圖10是球形氣泡電容式水平度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖11是其等效電路圖。傳感器殼體(1)為一個球形容器，容器外表面上沿經(jīng)線方向均勻分布了形狀相同的4個電容極板(2)，容器內(nèi)腔充注了占1/2容積的導電液體(3)并留有空氣形成一個氣泡(4)，電極引線(5)在球形傳感器中設(shè)置有2個，分別位于球形容器中軸線的兩個極點處，以保證傳感器工作在任何角度時都有電極引線和導電液體保持接觸，電極引線作為導電液體和外電路的接線端，也是傳感器四聯(lián)差動電容器的公共端點O1O2。傳感器的等效電路如圖11所示，4個電容極板和導電液體之間形成一組四聯(lián)差動電容器，a、b、c、d四個端點各與o端點之間為一聯(lián)電容器，其工作原理和管形及圓形傳感器相同。球形傳感器由于其電容極板覆蓋角度很大，可以檢測各種角度范圍內(nèi)的水平度變化，適用范圍很大。球形傳感器工作在角度變化劇烈的環(huán)境中，應在球體內(nèi)腔設(shè)置浮板(塊)以防液面振蕩。
圖12是本實用新型的實施示例，是以微型計算機處理技術(shù)為核心的工作平臺水平度自動控制系統(tǒng)，能完成檢測、分析、控制、存儲和數(shù)字顯示以及輸出打印等各種功能。圖中所繪的是其各功能單元方框圖傳感器位于受控的工作平臺的基準平面上，交流信號單元的作用是向傳感器輸入頻率和振幅穩(wěn)定的交流信號用以檢測電容量大小，根據(jù)不同電容量在固定的頻率下容抗大小不等的原理，檢測傳感器輸出的交流信號振幅就可以檢測和比較各聯(lián)的電容量，進而指示傾斜方向和程度，應優(yōu)先選用頻率穩(wěn)定的晶體振蕩器作為信號源，同時注意屏蔽外界干擾信號。選頻放大單元把傳感器輸出的固定頻率的微弱交流信號放大至A/D轉(zhuǎn)換電路所需要的輸入幅度，要求其噪聲低，選頻特性好。A/D轉(zhuǎn)換電路的作用是完成把傳感器輸出放大后的交流模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C適用的數(shù)字信號，以便進行微機處理，要求其精度和響應速度符合要求，可選用AD0809等。微機處理單元是自動控制系統(tǒng)的核心，可選用MCS-51等，微型計算機把各路輸入電容量的信號進行比較和處理，計算出被控制的工作平臺否傾斜和傾斜的方向和角度，并在數(shù)字顯示單元中顯示出計算結(jié)果，還可以遠程輸出和打印。微機處理單元發(fā)出指令控制伺服單元，通過伺服單元推動執(zhí)行裝置(液壓缸等)調(diào)整被控制的工作平臺至指定的角度。由于微機系統(tǒng)中的存儲器可以把執(zhí)行過程的控制程序、工作環(huán)境改變時的修正值和各傳感器特性差異的補償值，以及整個控制過程的經(jīng)過情況全部存儲起來應用于計算，因此整個工作平臺水平度自動控制系統(tǒng)可以達到很高的控制精度和控制速度。
權(quán)利要求1.用于檢測物體水平度的氣泡電容式水平度傳感器，該傳感器有一個以絕緣材料制作的密閉容器，容器內(nèi)腔充注了占大部分容積的液體，并留有一定容積的空氣形成一個氣泡，其特征在于容器內(nèi)腔充注的液體具有良好的導電性，并始終和通向容器外的電極引線保持接觸，容器外表面上有數(shù)個電容極板，以上結(jié)構(gòu)形成一組以導電液體和電極引線為動片，以電容極板為靜片，以居于動片和靜片之間的容器殼壁和氣泡為介電物質(zhì)，其電容量隨傳感器的水平度狀態(tài)變化呈差動規(guī)律變化的多聯(lián)差動電容器，傳感器輸出的信號即是此多聯(lián)差動電容器的電容量變化信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征是傳感器容器為平臥管形，容器外表面上部沿軸向安置2個電容極板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征是傳感器容器為直立圓形，容器外表面上部沿圓周方向均勻安置3-4個電容極板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征是傳感器容器為球形，容器中軸線兩個極點處各有1根電極引線，容器外表面沿經(jīng)線方向均勻安置3-4個電容極板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征是容器內(nèi)的氣泡被輕質(zhì)絕緣材料制作的浮塊替代。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征是容器內(nèi)導電液體上表層被輕質(zhì)絕緣材料制作的浮板覆蓋。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、6所述的傳感器，其特征是容器為透明材料制作，液面浮板上安置磁針以指示方位。
專利摘要用于檢測物體水平度的氣泡電容式水平度傳感器裝置。該傳感器利用液體在重力作用下自動水平和差動電容器的原理，在密閉的以絕緣材料制成的容器中充注導電液體，并留有空氣形成一個氣泡，容器外表面有數(shù)個電容極板和與導電液體接觸的電極引線作為靜片和動片，以容器壁殼和氣泡為介電物質(zhì)形成一組電容量隨水平度差動變化的多聯(lián)差動電容器?？蓪⑽矬w水平度的改變轉(zhuǎn)換為傳感器電參量的改變，為物體水平度的檢測和自動控制提供了新的傳感器裝置。
文檔編號G01C9/18GK2219485SQ9421252
公開日1996年2月7日 申請日期1994年5月25日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月25日
發(fā)明者王曉鐘 申請人:王曉鐘