CN109357612B - 一种用于静力水准***电容位移传感器在线校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于静力水准***电容位移传感器在线校准方法，包括：获取电容位移测量模块的圆形电极板所在平面相对于检测液面的俯仰角θ和翻滚角φ；获取上述圆形电极板所在平面相对于检测液面的倾斜角φ；确定电容位移测量模块的电容C、圆形电极板中心点与检测液面之间的距离d，以及倾斜角φ三者之间的关系；完成姿态在线补偿，通过电容位移测量模块的电容C计算距离d的过程中，考虑倾斜角φ的影响，消除倾斜角φ对电容位移传感器探头输出距离的扭曲。本发明实现用于静力水准***的电容位移传感器在利用电容解算圆形电极板与检测液面之间距离的过程中的姿态在线补偿，为提高电容式静力水准***检测精度和可靠性提供一种简单、易行的手段和方法。
Description
技术领域
本发明涉及电容位移传感器校准技术领域，尤其是一种用于静力水准***电容位移传感器在线校准方法。
背景技术
电容位移传感器具有动态特性好、分辨力高、结构简单等优点，非常适合高精度、非接触动态测量，已在静力水准***中被广泛用于监测液面位置的变化。在电容式静力水准***中，电容位移传感器探头为单电极板结构，另一极板为检测液面。
电容位移传感器探头采用具有开尔芬保护环结构的电极板，可以降低电场边缘效应，提高电场分布的均匀性。然而，由于存在制作、安装等过程中引入的误差，导致电容式静力水准***中电容位移传感器探头中的电极板与另一极板即检测液面之间不平行，极板间间距并不是一常量，而是随着空间变化，导致电容式静力水准***信号扭曲。
仅考虑极板非平行度误差的条件下，改善电容位移传感器在位移测量精度方面的方法主要有两种：第一种是提高极板之间的平行度，尽量减小极板间倾斜角度，从而忽略非平行度误差，这种用于控制电容位移传感器极板位置和姿态的金属指状热步进机构，结构较复杂，导致传感器性能稳定性较差，可靠性低；第二种方法就是在电容位移传感器中，电极板采用带有3个由开尔芬保护环分离的相同面积的的圆形电极，计算出电容位移传感器中两极板之间的倾斜角度，这种方法需要反复迭代解算，直到解算的极板间距与前一次解算的极板间距差值小于拟定的测量精度。由于电容位移传感器极板需要多个等同电极构成的多个子***，并提取相应微弱电信号，增加了信号处理的复杂程度；另外，在倾斜角度φ过程中，涉及反复迭代解算过程，计算量大，费时。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现对电容位移扭曲信号实时在线补偿，改善位移解算精度，赋予电容式静力水准***可靠性和自适应性的用于静力水准***电容位移传感器在线校准方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于静力水准***电容位移传感器在线校准方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)获取电容位移传感器探头中的电容位移测量模块的圆形电极板所在平面相对于检测液面的俯仰角θ和翻滚角
(2)获取上述圆形电极板所在平面相对于检测液面的倾斜角φ；
(3)确定电容位移测量模块的电容C、圆形电极板中心点与检测液面之间的距离d，以及倾斜角φ三者之间的关系；
(4)完成姿态在线补偿，即通过电容位移测量模块的电容C计算距离d的过程中，考虑倾斜角φ的影响，消除倾斜角φ对电容位移传感器探头输出距离d的扭曲。
所述步骤(1)具体是指：所述电容位移测量模块和倾角测量模块共同组成电容位移传感器探头，电容位移测量模块和倾角测量模块之间的位置相对固定；所述电容位移测量模块的圆形电极板将平面内相互垂直的两个方向记为X轴和Y轴，垂直于圆形电极板平面的方向记为Z轴，且X轴、Y轴和Z轴方向遵循右手规则；所述倾角测量模块获取圆形电极板相对于检测液面的俯仰角记为θ，获取圆形电极板相对于检测液面的翻滚角记为
俯仰角θ为绕Y轴旋转的角度，翻滚角
为绕X轴旋转的角度。
所述步骤(2)中倾斜角φ的计算公式如下：
所述步骤(3)中电容C、距离d，以及倾斜角φ三者之间的关系式如下：
式中，r为圆形电极板的有效半径，A为圆形电极板的有效面积，ε0为真空介电常数，εr为圆形电极板和检测液面之间介质的相对介电常数。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：本发明采用电容位移测量模块和倾角测量模块集成一种用于静力水准***的电容位移传感器探头，倾角测量模块实时检测静力水准***中电容位移传感器探头的圆形电极板相对于检测液面的倾斜角度，实现用于静力水准***的电容位移传感器在利用电容解算圆形电极板与检测液面之间距离的过程中的姿态在线补偿，从而为提高电容式静力水准***检测精度和可靠性提供一种简单、易行的手段和方法。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为电容位移传感器探头的结构框图；
图3为俯仰角θ和翻滚角
的示意图；
图4为倾斜角φ的示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种用于静力水准***电容位移传感器在线校准方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)获取电容位移传感器探头中的电容位移测量模块1的圆形电极板101所在平面相对于检测液面3的俯仰角θ和翻滚角
(2)获取上述圆形电极板101所在平面相对于检测液面3的倾斜角φ；
(3)确定电容位移测量模块1的电容C、圆形电极板101中心点与检测液面3之间的距离d，以及倾斜角φ三者之间的关系；电容C为电容位移传感器特性参数；
(4)完成姿态在线补偿，即通过电容位移测量模块1的电容C计算距离d的过程中，考虑倾斜角φ的影响，消除倾斜角φ对电容位移传感器探头输出距离的扭曲，电容位移传感器探头输出距离为d。
所述步骤(1)具体是指：所述电容位移测量模块1和倾角测量模块2共同组成电容位移传感器探头，电容位移测量模块1和倾角测量模块2之间的位置相对固定；所述电容位移测量模块1的圆形电极板101将平面内相互垂直的两个方向记为X轴和Y轴，垂直于圆形电极板101平面的方向记为Z轴，且X轴、Y轴和Z轴方向遵循右手规则；所述倾角测量模块2获取圆形电极板101相对于检测液面的俯仰角记为θ，获取圆形电极板101相对于检测液面的翻滚角记为
俯仰角θ为绕Y轴旋转的角度，翻滚角
为绕X轴旋转的角度。
所述步骤(2)中倾斜角φ的计算公式如下：
所述步骤(3)中电容C、距离d，以及倾斜角φ三者之间的关系式如下：
式中，r为圆形电极板101的有效半径，A为圆形电极板101的有效面积，ε0为真空介电常数，εr为圆形电极板101和检测液面3之间介质的相对介电常数。
该方法实现装置包含一个集成有电容位移测量模块1和倾角测量模块2的用于静力水准***的电容位移传感器探头。在电容式静力水准***中，电容位移测量模块1为单电极板结构即圆形电极板101，另一电极板为静力水准***中的检测液面3，检测液面3处于水平状态；倾角测量模块2用于在线检测电容位移测量模块1的电极板与水平面之间的夹角即倾斜角φ，从而获得电容位移测量模块1的圆形电极板101与检测液面3电极之间的角度。通过电容位移测量模块1的圆形电极板101与检测液面3之间的夹角，可在线有效补偿静力水准***中电容位移测量模块1的电极板与检测液面3之间的非平行度误差，从而确保静力水准***的电容位移传感器的测量精度和可靠性。
所述倾角测量模块2为2个单轴倾传感器、1个两轴倾角传感器、3个单轴加速度计、1个双轴加速度计和1个单轴加速度计、1个三轴加速度计中的一种。
所述电容位移测量模块1的圆形电极板101所处平面相对于检测液面3所在平面的夹角φ可以看作检测液面3内一个垂直于圆形单电极板101所处平面和检测液面3之间交线矢量n的矢量a，以矢量n为旋转轴，旋转到圆形单电极板所处平面时成为垂直于交线n的矢量a’，需要旋转的角度φ。因此，欧拉角即俯仰角、翻滚角和绕Z轴旋转的航向角ψ，与以q1、q2、q3和q4表示的四元数Q之间的转换算法即公式(4)如下：
其中，n＝q1xw+q2yw+q3zw，q3＝0；φ＝2arccosq4，由于ψ大小对于φ没有影响，这里ψ取零。
根据公式(4)，从俯仰角θ和翻滚角
，可以在线实时直接解算圆形电极板101所处平面相对于对电极检测液面3的夹角φ，
即封装和安装过程中引入的平行度误差。
由于电容位移测量模块1中电极板为圆形结构，ψ大小对于电容C的大小亦没有影响。对于圆形电极板101与检测液面3电极之间电场分布近视均匀的条件下，所述圆形电极板101中心点与检测液面3之间的距离记为d与电容记为C之间的关系如下：
式中，r为圆形电极板101有效半径；A为圆形电极板101有效面积；ε0为真空介电常数；εr微圆形电极板101和液面之间介质的相对介电常数。根据公式，实现在利用电容C解算电容式静力水准***中电容位移传感器探头中电极板与检测液面3之间距离d的过程中姿态在线补偿，消除倾斜角φ的影响。
综上所述，本发明采用电容位移测量模块和倾角测量模块集成一种用于静力水准***的电容位移传感器探头，倾角测量模块实时检测静力水准***中电容位移传感器探头的圆形电极板相对于检测液面的倾斜角度，实现用于静力水准***的电容位移传感器在利用电容解算圆形电极板与检测液面之间距离的过程中的姿态在线补偿，从而为提高电容式静力水准***检测精度和可靠性提供一种简单、易行的手段和方法。
Claims (3)
1.一种用于静力水准***电容位移传感器在线校准方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)获取电容位移传感器探头中的电容位移测量模块的圆形电极板所在平面相对于检测液面的俯仰角θ和翻滚角
(2)获取上述圆形电极板所在平面相对于检测液面的倾斜角φ；所述步骤(2)中倾斜角φ的计算公式如下：
(3)确定电容位移测量模块的电容C、圆形电极板中心点与检测液面之间的距离d，以及倾斜角φ三者之间的关系；
(4)完成姿态在线补偿，即通过电容位移测量模块的电容C计算距离d的过程中，考虑倾斜角φ的影响，消除倾斜角φ对电容位移传感器探头输出距离的扭曲。
2.根据权利要求1所述的用于静力水准***电容位移传感器在线校准方法，其特征在于：所述步骤(1)具体是指：所述电容位移测量模块和倾角测量模块共同组成电容位移传感器探头，电容位移测量模块和倾角测量模块之间的位置相对固定；所述电容位移测量模块的圆形电极板将平面内相互垂直的两个方向记为X轴和Y轴，垂直于圆形电极板平面的方向记为Z轴，且X轴、Y轴和Z轴方向遵循右手规则；所述倾角测量模块获取圆形电极板相对于检测液面的俯仰角记为θ，获取圆形电极板相对于检测液面的翻滚角记为
俯仰角θ为绕Y轴旋转的角度，翻滚角
为绕X轴旋转的角度。
3.根据权利要求1所述的用于静力水准***电容位移传感器在线校准方法，其特征在于：所述步骤(3)中电容C、距离d，以及倾斜角φ三者之间的关系式如下：
式中，r为圆形电极板的有效半径，A为圆形电极板的有效面积，ε0为真空介电常数，εr为圆形电极板和检测液面之间介质的相对介电常数。
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