CN112229379B - 电解液扇柱体形变倾角测试仪 - Google Patents

电解液扇柱体形变倾角测试仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及角度检测领域，尤其涉及一种电解液扇柱体形变倾角测试仪，包括盛液器、安装体和信号处理装置；盛液器包括同轴的外圆柱体和内圆柱体；外圆柱体和内圆柱体之间构成盛液腔；盛液腔中注入电解液，其体积占有盛液腔容积的一半；在外圆柱体的轴截面上设置一绝缘隔离板，绝缘隔离板以内圆柱体母线、外圆柱体母线和外圆柱体的两个端面为边界；绝缘隔离板的前端设有第一左电极和第一右电极，绝缘隔离板的后端设有第二左电极和第二右电极；安装体下表面用于贴合被测平面，盛液器设于安装体，其中，绝缘隔离板与安装体下表面垂直；通过四个电阻组成桥臂，利用电阻的变化来测量倾角的变化。本发明结构构件少，成本低，操作便利，测量精度高。

Description

电解液扇柱体形变倾角测试仪
技术领域
本发明涉及角度检测领域，尤其涉及一种电解液扇柱体形变倾角测试仪。
背景技术
在工农业生产和服务、科学研究及日常生活中，角度或倾斜度测量是时常需要的，例如在设备安装、机械加工、建筑施工和交通运输等领域。然而，目前角度测量仪普遍存在精度低或者性价比不高的缺点，本发明旨在解决该问题。
发明内容
本发明的目的是为了提供基于电学原理的自动化程度较高的倾角测试仪，达到在构件少、成本低和操作简便的约束条件下取得较高检测精度的设计目标。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案的基本思想为：将电解液注入扇柱体，物件倾斜造成电解液流动致使扇柱体形变，从而产生电阻的变化。本发明包括盛液器、安装体和信号处理装置；
盛液器包括同轴的外圆柱体和内圆柱体，外圆柱体为由前至后延伸且内部中空，内圆柱体设于外圆柱体内且延伸至盛液器前后两端，内圆柱体为绝缘体；外圆柱体和内圆柱体之间构成盛液腔；盛液腔中注入导电率一定的电解液，其体积占有盛液腔容积的一半；在外圆柱体的轴截面上设置一绝缘隔离板，绝缘隔离板以内圆柱体母线、外圆柱体母线和外圆柱体的两个端面为边界；绝缘隔离板的前端设有第一左电极和第一右电极，第一左电极和第一右电极位于绝缘隔离板左右两侧且位置对称，绝缘隔离板的后端设有第二左电极和第二右电极，第二左电极和第二右电极位于绝缘隔离板左右两侧且位置对称；盛液腔中电解液占有部分被绝缘隔离板分割成左腔和右腔；
安装体下表面用于贴合被测平面，盛液器设于安装体，其中，绝缘隔离板与安装体下表面垂直；
信号检测处理装置包括电桥式信号检测器、信号处理器和信号输出单元；电桥式信号检测器采用的是惠斯通电桥，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，电源正极连接第一桥臂和第二桥臂后连接电源负极，电源正极连接第三桥臂和第四桥臂后连接电源负极，第一桥臂上设有固定电阻R1，第二桥臂上设有固定电阻R2，第三桥臂上设置连接第一左电极的第一左检测输入端和连接第二左电极的第二左检测输入端，第四桥臂上设置连接第一右电极的第一右检测输入端和连接第二右电极的第二右检测输入端；左腔和右腔所盛的电解液的横截面为扇形，其所盛的电解液形成扇柱体，绝缘隔离板左侧的第一左电极和第二左电极间形成可变电阻R左，绝缘隔离板右侧的第一右电极和第二右电极间形成可变电阻R右；第一桥臂和第二桥臂的中间节点为第一检测输出端，第三桥臂和第四桥臂的中间节点为第二检测输出端；
信号处理器的输入端连接于第一检测输出端和第二检测输出端；倾角θ为安装体下表面与水平面的夹角；电解液扇柱体的横截面积随倾角θ变化而变化，导致惠斯通电桥第一检测输出端和第二检测输出端之间的检测电压发生变化，电压经信号处理器采集处理后通过信号输出单元输出倾角θ测量结果。
按以上方案，所述信号处理器包括依次连接的信号调理器、模数变换器和微处理器；信号调理器的输入端连接于第一检测输出端和第二检测输出端；
信号调理器用于进行信号跟随、放大和滤波，其包括依次连接的跟随器、可变增益放大器和滤波器；
模数变换器用于进行二进制量化；
微处理器用于倾角θ检测。
按以上方案，在信号处理器的微处理器中，倾角θ的检测采用如下检测公式：
Figure GDA0003751508510000021
其中，VCC表示电桥供电电压，UADC代表模数变换器ADC的输入电压，G表示信号调理器中可变增益放大器VGA对电桥输出电压的线性放大倍数，由信号处理器的微处理器的输出码控制，用于实现对不同倾斜角测量的自动换挡，ΔU表示固定电阻R2两端的电压和可变电阻R右两端的电压的电压差，即电桥输出的检测电压，它取决于左腔和右腔所盛的电解液的电阻值之比R左/R右，如下式所示：
Figure GDA0003751508510000022
其中，VCC表示电桥供电电压，UADC代表ADC的输入电压，G表示信号调理器中可变增益放大器(VGA)对电桥输出电压的线性放大倍数，由信号处理器的微处理器(MPU)的输出码控制，用于实现对不同倾斜角测量的自动换挡，ΔU表示固定电阻R2两端的电压和可变电阻R右两端的电压的电压差，即电桥输出的检测电压，它取决于左腔和右腔所盛的电解液的电阻值之比R左/R右，如下式所示：
Figure GDA0003751508510000023
按以上方案，为了实现对不同倾斜角测量的自动换挡，且将模数变换器的输入电压控制于模数变换器的最佳线性段，最佳线性端位于满量程的一半位置，微处理器采用如下换挡控制流程：
第1)步：G←0；
第2)步：采集UADC＝GΔU；
第3)步：判断是否满足|UADC-Umax/2|<Uthd，若否，执行G←G+ΔG，进入第2)步，若是，进入下一步；
第4)步：向可变增益放大器VGA输出G值的控制码；
其中，Umax为ADC的满量程电压，ΔG为增益的步进值，Uthd为电压差的门限，若两个电压之差低于该门限Uthd，视为两个电压相等。
按以上方案，所述安装体为长方形空腔结构，外圆柱***于长方形空腔结构内且绝缘隔离板与长方形空腔结构下表面相垂直。
按以上方案，所述内圆柱体的半径远小于外圆柱体的半径。
按以上方案，所述信号输出单元包括连接于信号处理器输出端的显示器和/或扬声器用于播报测量结果。
按以上方案，所述信号处理器的输入端设有用于供用户输入数据的键盘。
本发明具有如下有益效果：本发明中，将倾角θ定义为安装体下表面与水平面的夹角；电桥式信号检测器通过四个电阻组成桥臂，其中可变电阻R左和R右随左腔和右腔所盛电解液扇柱体的横截面积的变化而变化，亦即随倾角θ的变化而变化，利用两个桥臂的电阻的变化来测量倾角的变化，检测灵敏度较高。上述变化导致惠斯通电桥的第一检测输出端和第二检测输出端之间的检测电压发生变化，电压经信号调理器进行跟随(减小负载对电桥精度的影响)、放大(进一步增加检测灵敏度)和滤波(减小噪声对测量精度的影响)处理过程之后，输出至模数变换器ADC进行二进制量化，量化后的数据被微处理器采集之后进行计算处理，最后由显示器或扬声器播报倾角θ测量结果；
此外，本发明较现有技术存在如下优势：
一、结构设计巧妙，达到了在构件少、成本低和操作简便的约束条件下取得较高检测精度的设计目标；
二、理论上达到被检测物理量与检测电压的线性关系，因此，在实践中，即使在信号调理器中采用低成本的仪表放大器，且在后续数据处理中不做复杂的线性化处理，也能达到较高的线性度。
三、实现了先进的换挡流程控制，可实现对不同倾斜角测量的自动换挡，且将模数变换器的输入电压控制于ADC的最佳线性段(位于满量程的一半附近)，因而即使采用低成本的模数变换器，其非线性对测量线性度影响甚微。
附图说明
图1为本发明实施例中盛液器和安装体的外观结构示意图；
图2为本实施例中盛液器的内部结构示意图；
图3为本实施例中盛液器平放时的端部示意图；
图4为本实施例中盛液器右倾时的端部示意图；
图5为本实施例中形成电阻R左的电解液扇柱体示意图；
图6为本实施例中电桥式信号检测器的原理图；
图7为本实施例中信号处理装置的整体结构及信号流程框图；
图8为本实施例中换挡控制流程图。
附图标记：1、外圆柱体；2、内圆柱体；3、电解液；301、左腔电解液；302、右腔电解液；4、绝缘隔离板；5、第一左电极；6、第一右电极；7、第二左电极；8、第二右电极；9、安装体；10、电桥式信号检测器；11、信号处理器；12、信号输出单元；13、键盘。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参考图1至图8，本发明为一种电解液扇柱体形变倾角测试仪，参阅图1，本实施例中规定箭头F所示方向为前方；电解液扇柱体形变倾角测试仪包括盛液器、安装体和信号处理装置。
盛液器包括同轴的外圆柱体和内圆柱体，外圆柱体由前至后延伸且内部中空，外圆柱体为空心绝缘体，半径为R_out；内圆柱体设于外圆柱体内且延伸至盛液器前后两端，内圆柱体为实心绝缘体，半径为R_in，外圆柱体和内圆柱体的半径满足R_in<<R_out；外圆柱体和内圆柱体之间构成盛液腔；安装体下表面用于贴合被测平面，本实施例中，安装体为长方形空腔结构，盛液器设于安装体，即同轴的外圆柱体和内圆柱体封闭于长方形空腔结构中，外圆柱体的前后两端与安装体的内壁接触；倾角θ定义为安装体下表面即长方形空腔结构底面与水平面之间的夹角。
盛液腔中注入导电率一定的电解液，其体积占有盛液腔容积的一半；在外圆柱体的轴截面上设置一绝缘隔离板，绝缘隔离板以内圆柱体母线、外圆柱体母线和外圆柱体的两个端面为边界，绝缘隔离板为长方形，绝缘隔离板与长方形空腔结构下表面相垂直；绝缘隔离板的前端设有第一左电极和第一右电极，第一左电极和第一右电极位于绝缘隔离板左右两侧且位置对称，绝缘隔离板的后端设有第二左电极和第二右电极，第二左电极和第二右电极位于绝缘隔离板左右两侧且位置对称；盛液腔中电解液占有部分被绝缘隔离板分割成两个子腔，为左腔和右腔，盛液腔中电解液形成左腔电解液和右腔电解液；本实施例中，第一左电极、第一右电极、第二左电极和第二右电极均为镀金电极，以防受电解液腐蚀。
若安装体平放，即θ＝0，则左腔电解液和右腔电解液均等分配；若安装体与水平面存在倾角，即θ≠0，则左腔电解液和右腔电解液分配不均。左腔和右腔的横截面为扇形，其所盛的电解液即左腔电解液和右腔电解液形成扇柱体，由绝缘隔离板同一面的一对电极引出，两电极间形成电阻，两对电极间的电阻之和为常数，电阻之比R左/R右与对应的扇柱体横截面积之比相等，如图4所示，左、右腔内电解液形成的扇柱体的横截面积之比与当前倾角之间存在函数关系，因而其电阻之比R左/R右与当前倾角θ之间存在函数关系。将左、右两对电极再分别用导线引出至信号处理装置，检测电压ΔU与倾角θ之间也存在线性关系。
信号检测处理装置包括电桥式信号检测器、信号处理器和信号输出单元；参阅图6，电桥式信号检测器采用的是惠斯通电桥，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，电源正极连接第一桥臂和第二桥臂后连接电源负极，电源正极连接第三桥臂和第四桥臂后连接电源负极，第一桥臂上设有固定电阻R1，第二桥臂上设有固定电阻R2，第三桥臂上设置连接第一左电极的第一左检测输入端和连接第二左电极的第二左检测输入端，第四桥臂上设置连接第一右电极的第一右检测输入端和连接第二右电极的第二右检测输入端；绝缘隔离板左侧的第一左电极和第二左电极间形成可变电阻R左，绝缘隔离板右侧的第一右电极和第二右电极间形成可变电阻R右；第一桥臂和第二桥臂的中间节点为第一检测输出端，第三桥臂和第四桥臂的中间节点为第二检测输出端；
信号处理装置还包括用于进行信号跟随、放大和滤波的信号调理器、用于进行二进制量化的模数变换器和用于供用户输入数据的键盘；
信号处理器包括依次连接的信号调理器、模数变换器和微处理器；信号调理器的输入端连接于第一检测输出端和第二检测输出端；信号调理器用于进行信号跟随、放大和滤波，其包括依次连接的跟随器、可变增益放大器和滤波器；模数变换器用于进行二进制量化；微处理器用于倾角θ检测；
模数变换器输出端连接于微处理器的输入端；键盘连接于微处理器。信号输出单元包括连接于信号处理器输出端的显示器和/或扬声器用于播报测量结果。
本实施例中，倾角θ为安装体下表面与水平面的夹角；电桥式信号检测器通过四个电阻组成桥臂，利用电阻的变化来测量倾角的变化；可变电阻R左和R右随左腔电解液和右腔电解液所形成的扇柱体的横截面积的变化而变化，亦即随倾角θ的变化而变化，该变化导致惠斯通电桥的第一检测输出端和第二检测输出端之间的检测电压ΔU发生线性变化，电压经信号调理器进行跟随、放大和滤波处理过程之后，输出至模数变换器(ADC)进行二进制量化，量化后的数据被微处理器采集之后进行计算处理，最后由显示器或扬声器播报倾角θ测量结果；微处理器可采用单片机。
本实施例中，信号处理装置对倾角θ测量的算法原理叙述如下：
假设流过R1和R2桥臂的电流为I1，流过R左和R右桥臂的电流为I2，电桥供电电压为VCC，参阅图6；由于后续信号调理器的第一级采用跟随器进行信号跟随，故第一检测输出端和第二检测输出端两点之间的负载电阻值远大于桥臂电阻值，因而负载电流可忽略不计，因此，R1和R2这两个桥臂将VCC电压分压，R2电阻两端得到的电压表示为U2；R左和R右这两个桥臂也将VCC电压分压，R右电阻两端得到的电压表示为U右。
R2两端的电压U2如公式(1)所示：
Figure GDA0003751508510000061
R右两端的电压U右如公式(2)所示：
Figure GDA0003751508510000062
U2和U右的电压差ΔU即检测电压，将公式(1)和公式(2)相减得到ΔU，如公式(3)所示：
Figure GDA0003751508510000063
由公式(3)可以看出，如果四个桥臂电阻相等，则有ΔU＝0，电桥处于平衡状态，公式(3)的正确性在一定程度上得到验证；若R左和R右的比值发生变化，则会导致检测输出电压ΔU发生变化。
基于公式(3)可将R左/R右表示为ΔU的函数，如公式(4)所示：
Figure GDA0003751508510000064
电阻率和长度一定的均匀几何体，其电阻值与截面积成反比，基于该原理，观察分析图4，可得如下公式(5)：
Figure GDA0003751508510000071
其中A左和A右分别表示左腔电解液和右腔电解液所形成的扇柱体的横截面积。
联立公式(4)和(5)，消去R左/R右，得到如公式(6)所示的倾角θ与检测电压ΔU的关系：
Figure GDA0003751508510000072
如图7所示，信号调理器中对ΔU进行G倍的线性放大，则存在公式(7)：
G·ΔU＝UADC (7)
其中UADC代表ADC的输入电压。
将公式(7)代入公式(6)得到倾角θ的检测公式，如公式(8)所示：
Figure GDA0003751508510000073
公式(8)表明，在理论上倾角θ和UADC呈线性关系，这是一般仪表设计期望的目标，本设计在理论上达到了，实践中通过在信号调理器中采用高线性度的放大器达到线性度指标。此外公式(8)还表明，通过设置较大的G和Vcc值可得到较高的检测灵敏度和精度。
一般设计中，令R1＝R2＝R，则得到更简捷的倾角θ的检测公式，如公式(9)所示：
Figure GDA0003751508510000074
此外，为了实现对不同倾斜角测量的自动换挡，且将ADC的输入电压控制于ADC的最佳线性段(位于满量程的一半附近)，采用如下换挡控制流程：
第1)步：G←0；
第2)步：采集UADC＝GΔU；
第3)步：判断是否满足|UADC-Umax/2|<Uthd，若否，执行G←G+ΔG，进入第2)步，若是，进入下一步；
第4)步：向可变增益放大器VGA输出G值的控制码；
其中，Umax为ADC的满量程电压，ΔG为增益的步进值，Uthd为电压差的门限，若两个电压之差低于该门限Uthd，视为两个电压相等。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.电解液扇柱体形变倾角测试仪，其特征在于：包括盛液器、安装体和信号处理装置；
盛液器包括同轴的外圆柱体和内圆柱体，外圆柱体为由前至后延伸且内部中空，内圆柱体设于外圆柱体内且延伸至盛液器前后两端，内圆柱体为绝缘体；外圆柱体和内圆柱体之间构成盛液腔；盛液腔中注入导电率一定的电解液，其体积占有盛液腔容积的一半；在外圆柱体的轴截面上设置一绝缘隔离板，绝缘隔离板以内圆柱体母线、外圆柱体母线和外圆柱体的两个端面为边界；绝缘隔离板的前端设有第一左电极和第一右电极，第一左电极和第一右电极位于绝缘隔离板左右两侧且位置对称，绝缘隔离板的后端设有第二左电极和第二右电极，第二左电极和第二右电极位于绝缘隔离板左右两侧且位置对称；盛液腔中电解液占有部分被绝缘隔离板分割成左腔和右腔；
安装体下表面用于贴合被测平面，盛液器设于安装体，其中，绝缘隔离板与安装体下表面垂直；
信号检测处理装置包括电桥式信号检测器、信号处理器和信号输出单元；电桥式信号检测器采用的是惠斯通电桥，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，电源正极连接第一桥臂和第二桥臂后连接电源负极，电源正极连接第三桥臂和第四桥臂后连接电源负极，第一桥臂上设有固定电阻R1，第二桥臂上设有固定电阻R2，第三桥臂上设置连接第一左电极的第一左检测输入端和连接第二左电极的第二左检测输入端，第四桥臂上设置连接第一右电极的第一右检测输入端和连接第二右电极的第二右检测输入端；左腔和右腔所盛的电解液的横截面为扇形，其所盛的电解液形成扇柱体，绝缘隔离板左侧的第一左电极和第二左电极间形成可变电阻R左，绝缘隔离板右侧的第一右电极和第二右电极间形成可变电阻R右；第一桥臂和第二桥臂的中间节点为第一检测输出端，第三桥臂和第四桥臂的中间节点为第二检测输出端；
信号处理器的输入端连接于第一检测输出端和第二检测输出端；倾角θ为安装体下表面与水平面的夹角；电解液扇柱体的横截面积随倾角θ变化而变化，导致惠斯通电桥第一检测输出端和第二检测输出端之间的检测电压发生变化，电压经信号处理器采集处理后通过信号输出单元输出倾角θ测量结果；
倾角θ的检测公式：
Figure FDA0003751508500000011
公式表明，在理论上倾角θ和UADC呈线性关系；VCC表示电桥供电电压，UADC代表模数变换器ADC的输入电压；G表示信号调理器中可变增益放大器VGA对电桥输出电压的线性放大倍数。
2.根据权利要求1所述的电解液扇柱体形变倾角测试仪，其特征在于：所述信号处理器包括依次连接的信号调理器、模数变换器和微处理器；信号调理器的输入端连接于第一检测输出端和第二检测输出端；
信号调理器用于进行信号跟随、放大和滤波，其包括依次连接的跟随器、可变增益放大器和滤波器；
模数变换器用于进行二进制量化；
微处理器用于倾角θ检测。
3.根据权利要求2所述的电解液扇柱体形变倾角测试仪，其特征在于：在信号处理器的微处理器中，信号调理器中可变增益放大器VGA对电桥输出电压的线性放大倍数G由信号处理器的微处理器的输出码控制，用于实现对不同倾斜角测量的自动换挡，ΔU表示固定电阻R2两端的电压和可变电阻R右两端的电压的电压差，即电桥输出的检测电压，它取决于左腔和右腔所盛的电解液的电阻值之比R左/R右，如下式所示：
Figure FDA0003751508500000021
4.根据权利要求3所述的电解液扇柱体形变倾角测试仪，其特征在于：为了实现对不同倾斜角测量的自动换挡，且将模数变换器的输入电压控制于模数变换器的最佳线性段，最佳线性端位于满量程的一半位置，微处理器采用如下换挡控制流程：
第1)步：G←0；
第2)步：采集UADC＝GΔU；
第3)步：判断是否满足|UADC-Umax/2|<Uthd，若否，执行G←G+ΔG，进入第2)步，若是，进入下一步；
第4)步：向可变增益放大器VGA输出G值的控制码；
其中，Umax为ADC的满量程电压，ΔG为增益的步进值，Uthd为电压差的门限，若两个电压之差低于该门限Uthd，视为两个电压相等。
5.根据权利要求1所述的电解液扇柱体形变倾角测试仪，其特征在于：所述安装体为长方形空腔结构，外圆柱***于长方形空腔结构内且绝缘隔离板与长方形空腔结构下表面相垂直。
6.根据权利要求1所述的电解液扇柱体形变倾角测试仪，其特征在于：所述内圆柱体的半径远小于外圆柱体的半径。
7.根据权利要求1所述的电解液扇柱体形变倾角测试仪，其特征在于：所述信号输出单元包括连接于信号处理器输出端的显示器和/或扬声器用于播报测量结果。
8.根据权利要求1所述的电解液扇柱体形变倾角测试仪，其特征在于：所述信号处理器的输入端设有用于供用户输入数据的键盘。
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