磁性液体全方位水平倾角传感器制造技术

本发明专利技术为一种磁性液体全方位水平倾角传感器，该传感器包括磁性液体测量元件、支架、水平底座和堆叠式永磁体；所述磁性液体测量元件包括封闭球壳、三个隧道磁电阻(TMR)传感器、连接杆、连接环和磁性液体；封闭球壳内装有占球壳体积40％～50％的磁性液体和堆叠式永磁体，并通过连接杆与连接环相连接。本发明专利技术的传感器通过堆叠式永磁体的设计，解决了随倾斜角变化磁感应强度B变化率不均匀的问题，显著地提高了传感器的测量精度以及传感器的稳定性。该传感器通过水平底座上指南针的设计，解决偏转方向的参照物的问题，增加了偏转方向角测量值的规范性。

【技术实现步骤摘要】
磁性液体全方位水平倾角传感器
本专利技术涉及一种倾角传感器，主要涉及一种采用磁性液体的倾角传感器。
技术介绍
随着科技的不断进步，社会生产实践中常常需要精确地测量工作平面相对于水平面的倾斜角度，例如高精度激光仪器调平、工程机械调平、大坝监测、卫星导弹的发射角度、飞行器飞行姿态等，因此倾角传感器有着十分广泛的应用前景。目前工业上应用的倾角传感器可以分为“固体摆”、“液体摆”、“气体摆”三种。相比于“固体摆”和；“液体摆”式倾角传感器，“气体摆”式倾角传感器容易受到诸多因素的干扰，因此“气体摆”式倾角传感器的性能稳定性差、实际应用率低。相比与“液体摆”式倾角传感器，“固体摆”倾角传感器存在机械滞后以及磨损的问题。现有一种磁性液体传感器，它具有一个玻璃管，玻璃管充有非磁性载液和约半容器体积的磁性液体，玻璃管的径向外周缠绕着激励线圈、差分感应线圈。激励线圈产生磁场，磁化管内的磁性液体，当玻璃管倾斜时，磁性液体在重力的作用下移动，其外周缠绕的差分感应线圈产生感应电流。该电流是传感器倾斜角的函数。由于该种倾角传感器只能够测量某一固定方向的倾斜角，实际使用中测量三维空间倾斜角需要至少两个相互垂直放置的倾角传感器才可以实现三维空间内倾斜角的测量，该倾角传感器不能实现同步测量倾斜角和偏转角；由于该种传感器本身结构的限制，倾角传感器管内磁性液体随着倾斜角增加在重力作用下的移动越来越小，所以倾角传感器的测量精度会随着倾角的增加而降低，该倾角传感器不能实现±180°全角度的测量；由于该种传感器需要通过激励线圈产生磁场，所以使用该倾角传感器需要配备相应的激励电源，增加了倾角传感器的使用难度和成本，通过差分感应线圈实现倾角信号到电信号的转化，增加了传感器的体积和重量，不便于在现有的系统中使用。
技术实现思路
针对当前技术中存在的不足，本专利技术的目的为提供一种适用于三维空间内±180°全角度、多方位测量的倾角传感器。该传感器通过磁性液体测量元件的设计，解决了现有磁性液体传感器测量方向固定单一、测量范围窄等问题，该传感器可以同步测量三维空间内倾斜角和偏转角并且测量范围扩展到±180°，显著提高了测量系统的适用性与工作效率。该传感器通过堆叠式永磁体的设计，解决了随倾斜角变化磁感应强度B变化率不均匀的问题，显著地提高了传感器的测量精度以及传感器的稳定性。该传感器通过水平底座上指南针的设计，解决偏转方向的参照物的问题，增加了偏转方向角测量值的规范性。本专利技术技术方案为：一种磁性液体全方位水平倾角传感器，该传感器包括磁性液体测量元件、支架、水平底座和堆叠式永磁体；所述支架通过安装孔固定在水平底座上；磁性液体测量元件安装在支架上；所述堆叠式永磁体悬浮在磁性液体测量元件内部的磁性液体中；所述水平底座由固定螺栓固定在待检测面上；所述磁性液体测量元件包括封闭球壳、隧道磁电阻(TMR)传感器a、隧道磁电阻(TMR)传感器b、隧道磁电阻(TMR)传感器c、连接杆、连接环和磁性液体；封闭球壳内装有占球壳体积40％～50％的磁性液体和堆叠式永磁体，并通过连接杆与连接环相连接；4个连接杆均匀分布在封闭球壳水平方向最大圆周上，每个连接杆的一端垂直固定在球壳上；连接杆的另一端与连接环相连接，圆环状的连接环在封闭球壳中部的最大圆周的外侧；隧道磁电阻(TMR)传感器b固定在封闭球壳外侧的最底部，隧道磁电阻(TMR)传感器a、隧道磁电阻(TMR)传感器c分别位于封闭球壳水平方向最大圆周的外侧，并且和球心在同一条直线上；所述磁性液体是煤油基Fe3O4磁性液体，按照体积比Fe3O4：煤油＝8：92配制；四氧化三铁为纳米颗粒，直径的范围在2～20nm；所述的堆叠式永磁体由3-5块圆柱形永磁体以半径从小到大的顺序堆叠组成，圆柱永磁体的厚度相同，直径最大的圆柱永磁体在最上方；轴向充磁的圆柱永磁体依靠相互之间的吸附力堆叠构成一个整体；永磁体的中心轴线重合；所述的堆叠式永磁体优选为由5块圆柱形永磁体堆叠组成，五块圆柱永磁体的厚度均为2mm，半径依次为10mm、8mm、6mm、4mm、2mm；所述的封闭球壳的半径为20mm。支架为四根支脚，每根支脚包括半环形支柱、支柱a、调节柱、支柱b；所述半环形支柱用来支撑连接环，所述支柱b固定装入水平底座相应的支脚安装孔中；支柱a的无螺纹端与半环形支柱的相连接，有螺纹端与调节柱相连接，调节柱的另一端与支柱b有螺纹端相连接。磁性液体全方位水平倾角传感器的水平底座包括四个支脚安装孔，四个固定螺栓通孔，一个指南针安装孔，孔内安装有指南针。所述的磁性液体全方位水平倾角传感器还包括A/D模数转换器和微控处理器，每个隧道磁电阻(TMR)传感器均与一个A/D模数转换器相连，三个A/D模数转换器均与微控处理器相连。所述的磁性液体全方位水平倾角传感器的应用方法，包括以下步骤：(1)放置磁性液体全方位水平倾角传感器，使其最下部的隧道磁电阻(TMR)传感器轴测量方向与指南针所示的方向北一致，此时通过固定螺栓将磁性液体全方位水平倾角传感器固定在需要测量倾斜角和偏转角的待测面上；其中，球心O与隧道磁电阻(TMR)传感器c1-4测量点的连接线为Y轴，球心O与隧道磁电阻(TMR)传感器b1-3测量点的连接线为Z轴，X轴垂直于Y、Z轴组成的平面；(2)转动调节柱倾角传感器调零：转动四个支脚上的调节柱，使隧道磁电阻a、c处于同一条水平线，此时隧道磁电阻(TMR)传感器a、c各自的的三个磁敏感轴方向上，三轴中对应轴的输出测量值相等；隧道磁电阻(TMR)传感器b测量的总磁感应强度Bb等于895.7Gs；实现磁性液体全方位水平倾角传感器调零；其中，所述三个隧道磁电阻(TMR)传感器均具有轴、轴、轴三个相互垂直的测量方向，固定在球壳上的三个隧道磁电阻(TMR)传感器轴与X轴方向一致，轴指向球壳的球心，轴垂直于轴、轴所在平面，且遵守右手定则；(3)当待测面倾斜后，静置2～3分钟，待倾角传感器稳定；(4)采集隧道磁电阻(TMR)传感器输出电压，计算磁感应强度Ba、Bb、Bc的大小：微控处理器STM32通过A/D模数转换器ADS1256，依次采集三个隧道磁电阻(TMR)传感器的，共计九路差分输出电压信号；模数转换器将模拟电压信号转换为数字电压信号，转递给微控处理器STM32；微控处理器STM32将九个数字差分输出电压，按照公式(1)Vx＝K·Bx，分别计算出三个隧道磁电阻(TMR)传感器各自的方向的三个轴的磁感应强度分量Bx、By、Bz，然后再利用公式(2)计算出隧道磁电阻(TMR)传感器a、b、c测量的三位置上的磁感应强度Ba、Bb、Bc；其中，Vx、Bx、K分别为隧道磁电阻(TMR)传感器轴向输出电压、磁感应强度测量值，灵敏度；Bx、By、Bz为球壳上磁感应强度B的三个分量；(5)微控处理器STM32判断磁感应强度Ba、Bb、Bc的大小关系，将其中的最大值代入公式(4)相应的函数中，得出倾斜角θ并通过RS232串口线将结算结果发送到PC机显示；其中，θ为倾斜角；Ba、Bb、Bc分别为隧道磁电阻(TMR)传感器a、b、c三位置上的磁感应强度测量值；(6)微控处理器SIM32完成倾斜角θ计算后，再将磁感应强度Ba、Bb、Bc中，最大值的两个磁感应强度分量By、Bx，代入公式(6)相应的函数中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性液体全方位水平倾角传感器，其特征为该传感器包括磁性液体测量元件、支架、水平底座和堆叠式永磁体；所述支架通过安装孔固定在水平底座上；磁性液体测量元件安装在支架上；所述堆叠式永磁体悬浮在磁性液体测量元件内部的磁性液体中；所述水平底座由固定螺栓固定在待检测面上；所述磁性液体测量元件包括封闭球壳、隧道磁电阻(TMR)传感器a、隧道磁电阻(TMR)传感器b、隧道磁电阻(TMR)传感器c、连接杆、连接环和磁性液体；封闭球壳内装有占球壳体积40％～50％的磁性液体和堆叠式永磁体，并通过连接杆与连接环相连接；4个连接杆均匀分布在封闭球壳水平方向最大圆周上，每个连接杆的一端垂直固定在球壳上；连接杆的另一端与连接环相连接，圆环状的连接环在封闭球壳中部的最大圆周的外侧；隧道磁电阻(TMR)传感器b固定在封闭球壳外侧的最底部，隧道磁电阻(TMR)传感器a、隧道磁电阻(TMR)传感器c分别位于封闭球壳水平方向最大圆周的外侧，并且和球心在同一条直线上；所述的堆叠式永磁体由3‑5块圆柱形永磁体以半径从小到大的顺序堆叠组成，圆柱永磁体的厚度相同，直径最大的圆柱永磁体在最上方；轴向充磁的圆柱永磁体依靠相互之间的吸附力堆叠构成一个整体；永磁体的中心轴线重合；支架为四根支脚，每根支脚包括半环形支柱、支柱a、调节柱、支柱b；所述半环形支柱用来支撑连接环，所述支柱b固定装入水平底座相应的支脚安装孔中；支柱a的无螺纹端与半环形支柱的相连接，有螺纹端与调节柱相连接，调节柱的另一端与支柱b有螺纹端相连接；磁性液体全方位水平倾角传感器的水平底座包括四个支脚安装孔，四个固定螺栓通孔，一个指南针安装孔，孔内安装有指南针；所述的磁性液体全方位水平倾角传感器还包括A/D模数转换器和微控处理器，每个隧道磁电阻(TMR)传感器均与一个A/D模数转换器相连，三个A/D模数转换器均与微控处理器相连。...

【技术特征摘要】
1.一种磁性液体全方位水平倾角传感器，其特征为该传感器包括磁性液体测量元件、支架、水平底座和堆叠式永磁体；所述支架通过安装孔固定在水平底座上；磁性液体测量元件安装在支架上；所述堆叠式永磁体悬浮在磁性液体测量元件内部的磁性液体中；所述水平底座由固定螺栓固定在待检测面上；所述磁性液体测量元件包括封闭球壳、隧道磁电阻(TMR)传感器a、隧道磁电阻(TMR)传感器b、隧道磁电阻(TMR)传感器c、连接杆、连接环和磁性液体；封闭球壳内装有占球壳体积40％～50％的磁性液体和堆叠式永磁体，并通过连接杆与连接环相连接；4个连接杆均匀分布在封闭球壳水平方向最大圆周上，每个连接杆的一端垂直固定在球壳上；连接杆的另一端与连接环相连接，圆环状的连接环在封闭球壳中部的最大圆周的外侧；隧道磁电阻(TMR)传感器b固定在封闭球壳外侧的最底部，隧道磁电阻(TMR)传感器a、隧道磁电阻(TMR)传感器c分别位于封闭球壳水平方向最大圆周的外侧，并且和球心在同一条直线上；所述的堆叠式永磁体由3-5块圆柱形永磁体以半径从小到大的顺序堆叠组成，圆柱永磁体的厚度相同，直径最大的圆柱永磁体在最上方；轴向充磁的圆柱永磁体依靠相互之间的吸附力堆叠构成一个整体；永磁体的中心轴线重合；支架为四根支脚，每根支脚包括半环形支柱、支柱a、调节柱、支柱b；所述半环形支柱用来支撑连接环，所述支柱b固定装入水平底座相应的支脚安装孔中；支柱a的无螺纹端与半环形支柱的相连接，有螺纹端与调节柱相连接，调节柱的另一端与支柱b有螺纹端相连接；磁性液体全方位水平倾角传感器的水平底座包括四个支脚安装孔，四个固定螺栓通孔，一个指南针安装孔，孔内安装有指南针；所述的磁性液体全方位水平倾角传感器还包括A/D模数转换器和微控处理器，每个隧道磁电阻(TMR)传感器均与一个A/D模数转换器相连，三个A/D模数转换器均与微控处理器相连。2.如权利要求1所述的磁性液体全方位水平倾角传感器，其特征为所述的堆叠式永磁体优选为由5块圆柱形永磁体堆叠组成，五块圆柱永磁体的厚度均为2mm，半径依次为10mm、8mm、6mm、4mm、2mm；所述的封闭球壳的半径为20mm。3.如权利要求1所述的磁性液体全方位水平倾角传感器，其特征为所述磁性液体是煤油基Fe3O4磁性液体，按照体积比Fe3O4：煤油＝8：92配制；四氧化三铁为纳米颗粒，直径的范围在2～20nm。4.如权利要求1所述的所述的磁性液体全方位水平倾角传感器的应用方法，其特征为包括以下步骤：(1)放置磁性液体全方位水平倾角传感器，使其最下部的隧道磁电阻(TM...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文荣，郭兵，李健，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12