CN115096264A - 一种新型全向倾角传感器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及一种新型全向倾角传感器及其使用方法,属于传感技术领域。
背景技术
在各种建筑、机械、工程设计等领域,经常需要对某一平面进行倾角测量或水平检测,这就要求检测仪器具有较高的精度以及灵活性,满足不同情况下的检测需求。现有的角度测量传感器大多是光学传感器和电感传感器,测量精度高,但成本昂贵,工艺复杂,同时在设计上很难实现全向测量,也容易受环境影响。
霍尔元件是利用霍尔效应原理测量磁感应强度变化,具有测量精度高、响应速度快、可靠性高等多种优点,具有很好的应用前景。现有的霍尔角度传感器原理多为将倾斜角度变化转化为永磁体磁场强度变化,并利用霍尔元件测出磁场强度变化从而得到倾斜角度的大小,在结构设计上的主要问题是能否实现全向测量。如专利CN202021137558 .1公开了一种霍尔角度传感器,其中圆柱形磁钢截面左右分布为N极,上下分布为S极,当磁钢旋转时,通过霍尔元件测量磁钢磁场强度强度的变化从而得到旋转角度的大小,但只是提出了倾角的测量方法,并未得出所测角度值与磁钢磁场强度的具体换算关系。专利CN200920279504.6公开了一种霍尔倾角传感器,该传感器利用永磁体磁场强度与倾斜角度的关系得到所测角度的大小,在测量倾角时,旋转轴上的永磁体发生转动,永磁体下方霍尔元件测量出磁场强度的变化,利用角度与磁感应强度的关系式计算出所测角度的大小,但该传感器只能实现单一方向角度测量,同时当所测倾斜角度很小时,永磁体不易转动。专利CN201910986580 .9公开了一种角度检测装置及其检测方法,在磁环周围设置四个霍尔元件,当磁环旋转时,四个霍尔元件输出一组相位各异的电压信号,电压信号经过信号转化和模数转换后,进行数字处理,最后得到磁环从初始位置旋转至预设位置的角度,该传感器可以很好地实现旋转角度的测量。
本发明利用霍尔元件的优点,设计一种新型全向倾角传感器,相比于其它倾角传感器测量精度高,设计简单,操作简便,不受测量方向约束。
发明内容
本发明提供了一种新型全向倾角传感器及其使用方法,以用于解决各种倾角测量的问题。
本发明采用如下技术方案:一种新型全向倾角传感器,包括球头、支撑盘、保护支撑壳体、轻质量杆、势能质量块、永磁体、磁场感应模块、数据导出线;
所述球头位于保护支撑壳体顶部的支撑盘中心处,可相对于支撑盘光滑转动,所述球头固定在轻质量杆的顶端,所述轻质量杆伸入支撑盘和保护支撑壳体形成的腔体内,所述轻质量杆的底端设有永磁体,所述轻质量杆上还设有用于保持其铅垂的势能质量块,所述保护支撑壳体底部内壁中心处设有磁场感应模块,用于测量永磁体的磁感应强度变化,磁场感应模块测量的数据由数据导出线导出。
所述支撑盘中心开设有凹槽,位于凹槽内,实现球头在水平面内任意方向光滑转动,与球头相连的轻质量杆穿过凹槽后伸入至保护支撑壳体内。
所述支撑盘和保护支撑壳体之间为可拆卸连接。
所述势能质量块位于轻质量杆的下部。
所述势能质量块为球体形状,在其中间开孔并与轻质量杆螺纹连接。
所述磁场感应模块由霍尔元件组成,霍尔元件固定于保护支撑壳体底部中心处,霍尔元件与数据导出线相连,数据导出线伸出至保护支撑壳体外。
所述永磁体为圆柱形永磁体,其粘接在轻质量杆的底端。
一种新型全向倾角传感器的使用方法,所述方法的具体步骤如下:
A、当使用传感器测量某一平面与水平面所成倾角大小时,将保护支撑壳体的底
部放置于测量平面表面,保护支撑壳体内的磁场感应模块随之倾斜,势能质量块在重力作
用下使轻质量杆保持铅垂,假设磁场感应模块由P点变化到点,为所测倾角,为测量方
向的方位角,且,以永磁体的N极上表面中心处为坐标原点,得出磁场感应模块的坐标位置
变化与倾角的关系式:
D=l+d+h
对于永磁体(6)N极:
对于永磁体(6)S极:
本发明的工作原理是:
当倾角传感器测量物体与水平面所成角度大小时,势能质量块足够重,由于球头
可以在凹槽内光滑转动,在重力作用下轻质量杆会始终保持铅垂,永磁体在空间中的位置
保持不变,保护支撑壳体带动磁场感应模块随所测倾角发生倾斜。永磁体的磁场在空间中
均匀对称分布,通过磁场感应模块获取磁场感应强度数据,以永磁体上表面的中心为原点
建立相应的坐标系,将磁场感应模块与永磁体相对位置变化通过坐标点与倾角表示,根
据所建立的公式计算出不同坐标位置的倾角,由此可以得到水平面内任意方向的倾角
值。
本发明的有益效果是:
1、所设计的新型全向倾角测量传感器在水平面内可实现任意方向的测量,在测量倾角或者判断是否水平时具有很好的实用性。
2、可根据需要设计永磁体的尺寸调整全向倾角测量传感器的测量范围。
3、霍尔元件精度高,所设计的全向倾角测量传感器对于角度细小的变化也能测量出来。
4、结构简单,便于操作。
附图说明
图1为本发明中角度传感器的结构示意图;
图2为本发明在实际测量中的效果图;
图4为支撑盘结构图;
图中各标号:1为球头、2为支撑盘、3为保护支撑壳体、4为轻质量杆、5为势能质量块、6为永磁体、7为磁场感应模块、8为数据导出线、9为凹槽、10为测量平面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1:如图1所示,一种新型全向倾角传感器,包括球头1、支撑盘2、保护支撑壳体3、轻质量杆4、势能质量块5、永磁体6、磁场感应模块7、数据导出线8;
所述球头1位于保护支撑壳体3顶部的支撑盘2中心处,可相对于支撑盘2光滑转动,所述球头1固定在轻质量杆4的顶端,所述轻质量杆4伸入支撑盘2和保护支撑壳体3形成的腔体内,所述轻质量杆4的底端设有永磁体6,所述轻质量杆4上还设有用于保持其铅垂的势能质量块5,所述保护支撑壳体3底部内壁中心处设有磁场感应模块7,用于测量永磁体6的磁感应强度变化,所测量的数据由数据导出线8导出。
所述支撑盘2中心开设有凹槽9,球头1位于凹槽9内,在水平面内实现任意方向光滑转动,本传感器在水平面内可以实现任意方向的角度测量。与球头1相连的轻质量杆4穿过凹槽9后伸入至保护支撑壳体3内。
所述支撑盘2和保护支撑壳体3之间为可拆卸连接,方便更换永磁体6。
所述势能质量块5位于轻质量杆4的下部,势能质量块5为球体形状,在其中间开孔并与轻质量杆4螺纹连接,设置在轻质量杆4上的球头1、势能质量块5与永磁体6始终保持铅垂。
所述永磁体6为圆柱形永磁体,其粘接在轻质量杆4的底端,可以根据测量范围要求调整永磁体6直径大小。
所述磁场感应模块7由霍尔元件组成,霍尔元件固定于保护支撑壳体3底部中心处,霍尔元件与数据导出线8相连,数据导出线8伸出至保护支撑壳体3外。
当使用上述传感器测量某一平面与水平面所成倾角大小时,如图2所示,将保护
支撑壳体3的底部放置于测量平面10表面,保护支撑壳体3内的磁场感应模块7随之倾斜,磁
场感应模块7与永磁体6相对位置发生变化,势能质量块5在重力作用下使轻质量杆4保持铅
垂。
永磁体6外部区域的磁感应强度为:
根据永磁体6的特性,其磁场强度可以表示为一个标量的梯度:
对于均匀磁化的永磁体,只有面磁荷存在,标量磁位与面磁荷的关系:
D=l+d+h
把(3)、(4)、(5)、(6)式带入(2)式得:
永磁体6的N极,公式(7):
永磁体6的S极,公式(8):
式中,为磁感应强度,为磁场强度,为永磁体6的N极的磁场强度,为永磁
体6的S极的磁场强度,为真空磁导率,和分别为永磁体6N极和S极的
源点坐标,由于坐标轴以永磁体6的上表面中心为原点建立,故,,h为永磁
体6的厚度,为面磁荷密度。
由公式(7)与公式(8)得到的磁场强度带入公式(1)算出磁感应强度,在实际测量
中通过连接在磁场感应模块7上的数据导出线8可得到磁感应强度的大小,将其代入公式
(1)、(7)和(8)中,得到倾角的大小。
实施例2:本实施例中采用实施例1中所述的新型全向倾角传感器和相应的方法对倾斜面进行测量。其中如图4所示,支撑盘2为圆盘,中心开设凹槽9,与球头1配合,使球头1沿水平面内360度方向任意旋转。
保护支撑壳体3材质为工程塑料;
轻质量杆4材质为铝,其尺寸参数:长度l为100mm;
球头1材质为铜,其直径为15mm;
势能质量块5材质为铜,其直径为28mm;
按附图1-4及实施例1中的方式配置实验;
通过磁场感应模块7获取永磁体6外部不同位置的磁感应强度;
选用不同规格永磁体6可以得到不同的测量范围,理论计算表明,按上述方法配置实验,将各数据带入上述公式,可以实现任意方向15度的倾角测量。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (8)
1.一种新型全向倾角传感器,其特征在于:包括球头(1)、支撑盘(2)、保护支撑壳体(3)、轻质量杆(4)、势能质量块(5)、永磁体(6)、磁场感应模块(7)、数据导出线(8);
所述球头(1)位于保护支撑壳体(3)顶部的支撑盘(2)中心处,可相对于支撑盘(2)光滑转动,所述球头(1)固定在轻质量杆(4)的顶端,所述轻质量杆(4)伸入支撑盘(2)和保护支撑壳体(3)形成的腔体内,所述轻质量杆(4)的底端设有永磁体(6),所述轻质量杆(4)上还设有用于保持其铅垂的势能质量块(5),所述保护支撑壳体(3)底部内壁中心处设有磁场感应模块(7),用于测量永磁体(6)的磁感应强度变化,磁场感应模块(7)测量的数据由数据导出线(8)导出。
2.根据权利要求1所述的一种新型全向倾角传感器,其特征在于:所述支撑盘(2)中心开设有凹槽(9),球头(1)位于凹槽(9)内,实现球头(1)在水平面内任意方向光滑转动,与球头(1)相连的轻质量杆(4)穿过凹槽(9)后伸入至保护支撑壳体(3)内。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型全向倾角传感器,其特征在于:所述支撑盘(2)和保护支撑壳体(3)之间为可拆卸连接。
4.根据权利要求1所述的一种新型全向倾角传感器,其特征在于:所述势能质量块(5)位于轻质量杆(4)的下部。
5.根据权利要求1或4所述的一种新型全向倾角传感器,其特征在于:所述势能质量块(5)为球体形状,在其中间开孔并与轻质量杆(4)螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的一种新型全向倾角传感器,其特征在于:所述磁场感应模块(7)由霍尔元件组成,霍尔元件固定于保护支撑壳体(3)底部中心处,霍尔元件与数据导出线(8)相连,数据导出线(8)伸出至保护支撑壳体(3)外。
7.根据权利要求1所述的一种新型全向倾角传感器,其特征在于:所述永磁体(6)为圆柱形永磁体,其粘接在轻质量杆(4)的底端。
8.一种新型全向倾角传感器的使用方法,其特征在于:所述方法的具体步骤如下:
A、当使用传感器测量某一平面与水平面所成倾角大小时,将保护支撑壳体(3)的底部
放置于测量平面(10)表面,保护支撑壳体(3)内的磁场感应模块(7)随之倾斜,势能质量块
(5)在重力作用下使轻质量杆(4)保持铅垂,假设磁场感应模块(7)由P点变化到点,为
所测倾角,为测量方向的方位角,且,以永磁体(6)的N极上表面中心处为坐标原点,得出
磁场感应模块(7)的坐标位置变化与倾角的关系式:
D=l+d+h
对于永磁体(6)N极:
对于永磁体(6)S极:
式中,为磁感应强度,为磁场强度,为永磁体(6)N极的磁场强度,为永磁体(6)S极的磁场强度,为真空磁导率,和分别为永磁体(6)N极和S极的源点
坐标,由于坐标轴以永磁体(6)的上表面中心为原点建立,故,,为面磁
荷密度;
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