CN102901487B - 一种磁阻式倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁阻式倾角传感器，包括：筒体，端盖，连接件、芯轴，固定板，环形软磁体，E型软磁体线圈，检测电路。其中，所述芯轴中间具有通槽；所述固定板通过所述通槽与所述芯轴连接；所述固定板和所述芯轴穿设于所述环形软磁体，且所述固定板两侧边与所述环形软磁体内侧面固定连接；所述连接件，位于所述筒体和/或端盖上，并与所述芯轴两端相配合连接；所述E型软磁体线圈安装于所述筒体外侧面；所述筒体与所述端盖密闭连接形成封闭腔体；所述环形软磁体通过所述固定板与所述筒体偏心固定；所述检测电路，与所述E型软磁体线圈相连接，用于检测振荡频率值，通过振荡频率值映射得到倾角角度。

Description

一种磁阻式倾角传感器

技术领域

本发明涉及数据信息检测领域，特别涉及一种磁阻式倾角传感器。 

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 

倾角传感器作为传感器的一种，其是根据牛顿第二定律为理论基础制作，用于测量物体相对于水平面的角度的仪器。也就是说，倾角传感器可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。 

倾角传感器被广泛用于各种测量角度的应用中。例如，高精度激光仪器水平、工程机械设备调平、远距离测距仪器、高空平台安全保护、定向卫星通讯天线的俯仰角测量、船舶航行姿态测量、盾构顶管应用、大坝检测、地质设备倾斜监测、火炮炮管初射角度测量、雷达车辆平台检测、卫星通讯车姿态检测等等。 

在上述各种仪器及装置的反馈控制***中，倾角传感器作为反馈环节的主要器件其重要性不言而喻，其输出信号往往是控制***做出决策的重要依据，反馈信号的失真可能会带来灾难性的后果。例如：倾角传感器配合液位传感器用于山体滑坡或雪崩监测，其通过无线传感***将数据传输到中央控制***，实时监测山体状态，可以有效减小山体滑坡带来的损失。又例如：倾角传感器应用于铁路铁轨，具体地，倾角传感器应用于输电线铁塔倾斜角度监测，可以实时监测输电线倾斜角度，一旦因为大风等自然灾害导致倾斜角度过大，实时发出预警信号，由工作人员维修，进而减少损失，等等。现有的倾角传感器中，一类是基于电容原理而设计的。该类传感器的典型产品是美国生产的AccuStar倾角传感器。它的设计主要在两半传感器外盖之间夹持着一片普通电容片。该电容片经过蚀刻，组成了两个可变电容器。传感器组件，即电容的两个电极间充满了介电质溶液和惰性气体。当传感器有旋转运动时，传感器的电容电极间的电解液液面由于要保持水平也将随之改变位 置，从而使电容器产生线性变化，最终使传感器输出相应的倾角信号。 

还有一类倾角传感器是基于加速度传感器而设计的。基于加速度传感器的倾角传感器的基本原理是：加速度传感器输出信号经模数转换后，交由微处理器进行滤波、平滑、方差估计等处理后，获得精确瞬时加速度，最终将精确瞬时加速度解算为倾角信息。 

另一类倾角传感器是基于磁阻传感器原理而设计的。该类传感器的代表是美国Precision Navigation公司的TCM系列电子罗盘。该类传感器基于磁感(MI)技术，即磁场变化引起传感单元电感量的变化，经A/D电路将传感器输出的模拟电压转换成数字信号。由于该传感器给出的数据是在对地磁场的测量基础上计算得出的。 

还有一类倾角传感器是基于MEMS角速率陀螺仪设计的倾角传感器。其中只输出角速率的传感器是以北京星网宇达公司设计的XWG80型低功耗微机械陀螺仪和美国生产的CRS03型陀螺仪为代表的角速率陀螺仪。这两个型号的角速率陀螺仪都是基于MEMS角速率陀螺仪芯片设计***电路，使传感器能够输出与旋转角速率成正比的模拟电压。 

上述倾角传感器原理不同，各具特点，但同时又具有无法克服的局限性。 

其中，电容原理传感器和加速度计传感器的测量原理都是以重力摆为原型的，电容原理传感器和加速度计传感器在用于动态测量时受平动加速度的影响是无法消除的，这也从另一个侧面说明了这些传感器用于动态测量是不可行的。 

磁阻原理传感器的测量，一方面受周围环境的磁场影响（如高大建筑物、铁矿山、发电厂、高压变电设备等，甚至靠近传感器的钢铁物品)，另一方面，虽然现有磁阻原理传感器具有静态磁场校正功能，但是其不具有对于动态磁场的校正功能，所以不适用于动态***中的倾角测量。 

高档陀螺仪能够输出空间欧拉角的三个转动角度、角速度和角加速度，以及三个方向的平动速度、平动加速度，虽然高档陀螺仪的传感器可以应用于动态***中的倾角测量，但该类型传感器价格较为昂贵，会大大提高反馈***的成本，不利于广泛应用。 

因此，如何提供一种倾角传感器，能够克服上述缺点，成为亟待解决的技术问题。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何提供一种磁阻式倾角传感器，利用偏心原理，能够在动态***中测量到倾角角度与方向的问题。 

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁阻式倾角传感器，包括：筒体，端盖，连接件、芯轴，固定板，环形软磁体，E型软磁体线圈，检测电路； 

其中，所述芯轴中间具有通槽；所述固定板通过所述通槽与所述芯轴连接；所述固定板和所述芯轴穿设于所述环形软磁体，且所述固定板两侧边与所述环形软磁体内侧面固定连接；所述连接件，位于所述筒体和/或端盖上，并与所述芯轴两端相配合连接；所述E型软磁体线圈安装于所述筒体外侧面；所述筒体与所述端盖密闭连接形成封闭腔体；所述环形软磁体通过所述固定板与所述筒体偏心固定；所述检测电路，与所述E型软磁体线圈相连接，用于检测振荡频率值，通过振荡频率值映射得到倾角角度。 

优选地，所述环形软磁体与所述筒体的偏心距离，通过所述固定板在所述芯轴的位置进行调整。 

优选地，所述连接件为轴承；所述环形软磁体为环形铁氧体或镍氧体或锌氧体；所述E型软磁体线圈为E型铁氧体线圈或E型镍氧体线圈或E型锌氧体线圈。 

优选地，所述固定板为阻尼板。 

优选地，本发明提供的磁阻式倾角传感器进一步包括：阻尼液，所述阻尼液灌入于所述封闭腔体内。 

优选地，本发明提供的磁阻式倾角传感器进一步包括：多个浮泡，相对安装于所述阻尼板上边沿两侧，且远离所述环形软磁体偏心方向。 

优选地，所述筒体与所述端盖之间设置有密封圈。 

优选地，所述E型软磁体线圈为多个。 

优选地，所述筒体和/或端盖的外侧两端设置有伸出轴，在检测时用于固定和支撑倾角传感器。 

与现有技术相比，本发明的特点在于，本发明是利用偏心原理，通过气隙距离变化引起的磁阻变化，进而通过测量得到相应的角度。因此，本发明结构简单，成本较低，测量范围大，反应速度、动态精度高。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例和现有技术中的技术方案，下面将对实施例和现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是本发明提供的一种倾角传感器的整体组成结构示意图； 

图2是本发明提供的一种倾角传感器的工作原理示意图； 

图3是本发明提供的一种倾角传感器的多组E型软磁体线圈工作原理示意图； 

图4A和图4B分别是本发明提供的一种倾角传感器的固定板的主视图和轴测图； 

图5A和图5B分别是本发明提供的一种倾角传感器的筒体内部的主视图和轴测图； 

图6A和图6B分别是本发明提供的一种倾角传感器的芯轴的主视图和轴测图； 

图7A和图7B分别是本发明提供的一种倾角传感器的筒体的主视图和轴测图； 

图8A和图8B分别是本发明提供的一种倾角传感器的端盖的主视图和轴测图； 

图9A和图9B分别是本发明提供的一种倾角传感器的环形软磁体的主视图和轴测图。 

具体实施方式

下面将接合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

请参考图1所示，图1是本发明提供的一种倾角传感器的整体组成结构示意图。 

本发明提供的一种倾角传感器，包括：筒体1，端盖2，连接件4、芯轴5，固定板6，环形软磁体7，E型软磁体线圈8，检测电路； 

其中，所述芯轴5中间具有通槽51；所述固定板6通过所述通槽51与所 述芯轴5连接；所述固定板6和所述芯轴5穿设于所述环形软磁体7，且所述固定板6两侧边与所述环形软磁体7内侧面固定连接；所述连接件4，位于所述筒体1和/或端盖2上，并与所述芯轴5两端相配合连接；所述E型软磁体线圈8安装于所述筒体1外侧面；所述筒体1与所述端盖2密闭连接形成封闭腔体；所述环形软磁体7通过所述固定板6与所述筒体1偏心固定；所述检测电路，与所述E型软磁体线圈相连接，用于检测振荡频率值，通过振荡频率值映射得到倾角角度。 

所述连接件为轴承，位于所述筒体和/或端盖内侧中心。 

请参考图2所示，图2是本发明提供的一种倾角传感器的工作原理示意图。 

本发明的所述E型软磁体线圈8安装于筒体1外侧，与筒体1一起随着待测物体旋转，其偏离竖直方向的角度定义为φ，根据三角几何关系，可以得出以下等式： 其中，d为气隙距离，即E型软磁体线圈8与环形软磁体7之间的距离；R为筒体1的内径；  r为环形软磁体7的外径；单位m；  Δ为环形软磁体7相对于筒体1的偏心间距。由上式可知，气隙距离与角度成对应关系，当角度发生改变时，气隙距离随之变化，进而引起磁阻的改变，通过***检测电路对于磁阻的测量，可以得到相应的角度量。本发明是通过利用偏心原理，通过气隙距离变化引起的磁阻变化，进而通过测量得到相应的角度。因此，本发明结构简单，成本较低，测量范围大，反应速度、动态精度高。 

需要说明的是，环形软磁铁与E型软磁铁之间存在的缝隙，称之为气隙。线圈产生磁场，磁场通过E型线圈传播，磁场对于磁阻相当于电流对应于电阻，表示磁场的传导效果。空气中的磁导率比软磁铁中的小得多，因此气隙的变化对整体磁阻的影响很明显，本发明就是利用改变气隙间距进而改变磁路的磁阻，继而检测转过的角度。 

本发明与其检测电路的工作过程如下：***上电后，振荡电路起振，输出幅值较小的正弦波形。整理电路将正弦波型进行调整，并输出占空比为50%的方波。方波信号接入检测板，由检测板测量方波的频率。当传感器发生倾斜时，电感线圈也就是E型软磁体线圈跟随壳体转动，环形软磁体在固定板的作用下，保持原来的位置几乎不变化。由于环形软磁体的偏心安装，使得 电感线圈与环形软磁体的间距由最小值以一定的几何关系逐渐变大，导致电感值变小，从而方波频率值变大。筒体旋转一周，角度变化360°，相应的方波频率值，也完成一个周期的输出。从而由频率测量完成对角度的测量。 

本发明提供的一种倾角传感器中，所述环形软磁体7与所述筒体1的偏心距离，可以根据需求通过所述固定板6在所述芯轴5的位置可以进行调整。 

又参考图1所示，本发明提供的一种倾角传感器中，所述连接件4为轴承；所述环形软磁体7为环形铁氧体或镍氧体或锌氧体；所述E型软磁体线圈8为E型铁氧体线圈或E型镍氧体线圈或E型锌氧体线圈。 

参考图3所示，图3是本发明一种倾角传感器中，采用多组E型软磁体线圈8工作原理示意图。 

由于***结构的对称性，一组E型软磁体线圈8可以测量出角度，但无法得到角度的方向。为了得到测量角度的方向，需要在筒体1上根据相同原理增加一组或者几组E型软磁体线圈8，如图3所示。此时，其中一组为主线圈，如8-1，其主要的角度测量作用，另一组为辅助线圈如8-2，主要作用是标定测量角度的方向。辅助线圈8-2可以任意布置，但不能布置在主线圈的180°方向。 

所述E型软磁体线圈布置于筒体的外侧，与环形软磁体对应，并形成闭合的磁路。 

请参考图4A、图4B、图5A、图5B所示，所述图4A和图4B分别是本发明提供的一种倾角传感器的固定板的主视图和轴测图；图5A和图5B分别是本发明提供的一种倾角传感器的筒体内部的主视图和轴测图。 

所述筒体1包括芯轴5，阻尼板6，环形软磁体7，浮泡9，固结在一起组成，并通过轴承4铰接于筒体1和端盖2传感器外壳的内部。 

本发明中的所述固定板6为阻尼板。在所述筒体1内还可以包括：阻尼液10，所述阻尼液10灌入于所述封闭腔体内；所述浮泡可以为多个，相对安装于所述阻尼板上边沿两侧，且远离所述环形软磁体偏心方向。其中，阻尼板为板状零件，在阻尼液10中提供阻尼力，从而起到抑制平动噪声的作用。 

所述环形软磁体偏心的固接于芯轴，它们之间藉由阻尼板（固定板）相连，阻尼板所在的平面经过芯轴以及环形软磁体的中心，并且阻尼板关于芯轴对称，阻尼片可以对称的布置为多组，每一个阻尼片的中心都与芯轴重合。 

请参考图6A和图6B所示，图6A和图6B分别是本发明提供的一种倾角传感器的芯轴的主视图和轴测图。 

所述芯轴5是轴类零件，中间开有通槽，用于安装固定阻尼板6，并通过调整阻尼板6的安装位置调整环形软磁体7相对于筒体1的偏心间距。 

请参考图7A和图7B以及图8A和图8B，所述图7A和图7B分别是本发明提供的一种倾角传感器的筒体的主视图和轴测图；所述图8A和图8B分别是本发明提供的一种倾角传感器的端盖的主视图和轴测图。 

其中，所述筒体1与所述端盖之间设置有密封圈。所述筒体和/或端盖的外侧两端设置有伸出轴，在检测时用于固定和支撑倾角传感器。所述筒体为薄壁杯状构件，一端封闭，并向外延伸输出轴，以便固定安装。开口端径向均布六个通孔，藉由螺钉与端盖紧固，两者间还布置有密封圈，已形成密闭的腔体，所述密封圈可以为O型密封圈。 

请参考图9A和图9B，所述图9A和图9B分别是本发明提供的一种倾角传感器的环形软磁体的主视图和轴测图。 

其中，环形软磁体7是环形的铁磁性材质零件，与E型软磁体线圈8构成封闭的磁路。所述环形软磁体为环形铁氧体或镍氧体或锌氧体；所述E型软磁体线圈为E型铁氧体线圈或E型镍氧体线圈或E型锌氧体线圈。 

本发明已经研制成功试验样机，并进行了实施试验。该样机的参数及性能：测量范围：-180——+180°，测量精度：±0.05°，动态测量进度：±0.1°。 

由此可见，本发明提供一种倾角传感器，利用偏心原理，通过距离变化引起的磁阻变化，进而得到对应的角度。 

另外，由于环形软磁体、阻尼板以及芯轴的整体，在环形软磁体偏心重力以及浮泡浮力的共同作用下，使得阻尼板始终保持竖直方向；并且由于液体只传递横波的特性，以及阻尼液阻尼的作用下，能够有效地抑制了转动过程中的平动影响。 

与传统倾角传感器相比，具有以下优点：结构简单，成本较低，测量范围大，反应迅速，动态精度高，对平动具有很好的抑制效果。适用于复杂运 动条件下的单轴转动测量。 

以上所述仅为本发明提供的一种磁阻式倾角传感器的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。该实施例中的部件数量并不局限于实施例中所采用的方式，任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种磁阻式倾角传感器，其特征在于，包括：筒体，端盖，连接件、芯轴，固定板，环形软磁体，E型软磁体线圈，检测电路；

其中，所述芯轴中间具有通槽；所述固定板通过所述通槽与所述芯轴连接；所述固定板和所述芯轴穿设于所述环形软磁体，且所述固定板两侧边与所述环形软磁体内侧面固定连接；所述连接件，位于所述筒体和/或端盖上，并与所述芯轴两端相配合连接；所述E型软磁体线圈安装于所述筒体外侧面；所述筒体与所述端盖密闭连接形成封闭腔体；所述环形软磁体通过所述固定板与所述筒体偏心固定；所述检测电路，与所述E型软磁体线圈相连接，用于检测振荡频率值，通过振荡频率值映射得到倾角角度。

2.根据权利要求书1所述的磁阻式倾角传感器，其特征在于，所述环形软磁体与所述筒体的偏心距离，通过所述固定板在所述芯轴的位置进行调整。

3.根据权利要求书1所述的磁阻式倾角传感器，其特征在于，所述连接件为轴承；所述环形软磁体为环形铁氧体或镍氧体或锌氧体；所述E型软磁体线圈为E型铁氧体线圈或E型镍氧体线圈或E型锌氧体线圈。

4.根据权利要求书1所述的磁阻式倾角传感器，其特征在于，所述固定板为阻尼板。

5.根据权利要求书4所述的磁阻式倾角传感器，其特征在于，进一步包括：阻尼液，所述阻尼液灌入于所述封闭腔体内。

6.根据权利要求书5所述的磁阻式倾角传感器，其特征在于，进一步包括：多个浮泡，相对安装于所述阻尼板上边沿两侧，且远离所述环形软磁体偏心方向。

7.根据权利要求书1所述的磁阻式倾角传感器，其特征在于，所述筒体与所述端盖之间设置有密封圈。

8.根据权利要求1所述的磁阻式倾角传感器，其特征在于，所述E型软磁体线圈为多个。

9.根据专利要求1所述的磁阻式倾角传感器，其特征是在于，所述筒体和/或端盖的外侧两端设置有伸出轴，在检测时用于固定和支撑倾角传感器。