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1、(10)申请公布号 CN 104034256 A (43)申请公布日 2014.09.10 C N 1 0 4 0 3 4 2 5 6 A (21)申请号 201410179252.5 (22)申请日 2014.04.28 G01B 7/30(2006.01) G01C 9/20(2006.01) (71)申请人哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街92号 (72)发明人杨宏兴 谭久彬 胡鹏程 (54) 发明名称 同心共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾角 测量方法与装置 (57) 摘要 同心共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾角 测量方法与装置属于角度测量技术，其中传感。
2、器 单元的环形共面电容测头由四个四分之一圆形金 属板和四个四分之一圆环形金属板组成，八块金 属板共面同心，四个四分之一圆环形金属板沿周 向均匀分布且与四个四分之一圆形金属板一一对 应、形成电容，将此环形共面电容测头安置于圆形 绝缘基板上，圆形绝缘基板作为圆柱体容器底面， 并将此圆柱体容器横置，在容器中密封注入体积 1/2的绝缘性液体，电位引线将八块金属板的电 位取出并与电容测量单元的输入端相连，电容测 量单元与倾角计算单元连接；容器发生倾斜时， 环形共面电容测头与绝缘性液体的相对位置发生 变化，通过测量电容容值的变化，可求得倾角值。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图2页。
3、 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104034256 A CN 104034256 A 1/1页 2 1.一种同心共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾角测量方法，其特征在于：所述方法 步骤如下： (1)、将一个圆形金属板和外部圆环形金属板共面同心放置，且圆形金属板和外部圆 环形金属板沿径向四等分，分别得到四份四分之一圆形金属板和四份四分之一圆环形金属 板，所述同一扇形角所对的四分之一圆形金属板和四分之一圆环形金属板形成电容，所述 四份四分之一圆形金属板与四份四分之一圆环形金属板组合得到环形共面电容测头； (。
4、2)、将环形共面电容测头垂直浸入到绝缘性液体中，绝缘性液体的液面通过环形共面 电容测头的中心，同一扇形角所对的四分之一圆形金属板和四分之一圆环形金属板形成的 电容容值由空气的介电常数、绝缘性液体的介电常数、各自极板裸露在空气中部分所对的 扇形角和浸没在绝缘性液体中部分所对的扇形角共同决定； (3)、上述环形共面电容测头沿中心进行圆周旋转时，其倾角发生改变，绝缘性液体的 液面保持水平，环形共面电容测头与绝缘性液体的相对位置发生变化，各极板裸露在空气 中部分所对的扇形角和浸没在绝缘性液体中部分所对的扇形角发生改变，测量上述同一扇 形角所对的四分之一圆形金属板和四分之一圆环形金属板形成的电容容值的变。
5、化，求得倾 角值。 2.一种同心共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾角测量装置，包括电容测量单元(22) 和倾角计算单元(23)，所述电容测量单元(22)与倾角计算单元(23)连接；其特征在于：所 述装置还包括传感器单元(21)，所述传感器单元(21)的构造是：在一端呈开口状的圆柱体 容器(11)的开口端密封装配圆形绝缘基板(10)，在圆柱体容器(11)腔内位于圆形绝缘基 板(10)里侧面上配装环形共面电容测头(1)；所述环形共面电容测头(1)由四个四分之一 圆形金属板(2、3、4、5)和四个四分之一圆环形金属板(6、7、8、9)构成，其中四个四分之一 圆环形金属板(6、7、8、9)配置在四个四分。
6、之一圆形金属板(2、3、4、5)外侧，且四个四分之 一圆环形金属板(6、7、8、9)与四个四分之一圆形金属板(2、3、4、5)共面同心，所述四个四 分之一圆环形金属板(6、7、8、9)沿周向均匀分布且与四个四分之一圆形金属板(2、3、4、5) 一一对应；八根电位引线(13、14、15、16、17、18、19、20)依次分别将四个四分之一圆形金属 板(2、3、4、5)、四个四分之一圆环形金属板(6、7、8、9)与电容测量单元(22)的输入端连接； 所述圆柱体容器(11)呈横置，在所述圆柱体容器(11)内密封注入占圆柱体容器(11)体积 二分之一的绝缘性液体(12)。 3.根据权利要求2所述的同心。
7、共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾角测量装置，其特 征在于：所述的圆形绝缘基板(10)由树脂玻纤材料制成。 4.根据权利要求2所述的同心共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾角测量装置，其特 征在于：所述的绝缘性液体(12)是由甲醇、乙醇、异丙醇的醇类、丙酮、丁酮的酮类、二甘醇 单丁基醚的醚类中的一种或多种成分组合的液体。 权 利 要 求 书CN 104034256 A 1/5页 3 同心共面四等分环 - 四等分圆嵌套极板倾角测量方法与装 置 技术领域 0001 本发明属于角度测量技术领域，主要涉及一种倾角测量方法与装置。 背景技术 0002 目前，公知的测量倾角的传感方法是利用液体的表面在静止状态下。
8、始终保持水平 的原理。内部加入了液体的容器发生倾斜，稳定后液面保持水平，但液体与容器的相对位置 发生了变化。通过检测这一过程所引发的电学量变化，计算出容器相对于内部的液体表面 的角度，进而来测定容器的倾斜角。 0003 对于检测容器与其内部所加入的液体表面的之间的倾斜角的传感方式，可分为电 阻式和静电电容式两大类。 0004 日本专利2001-13160号公报中介绍了电阻式传感器的相关技术，是将一端封闭 的圆筒状的金属容器内密封入适量的导电性液体，开口用金属圆板堵塞。将一对金属电极 贯通并固定于圆板。当容器倾斜时，容器与内部的液体表面所成的角度发生变化，从而使金 属电极与导电性液体的接触面积改。
9、变，使得金属容器和各金属电极之间的电阻发生变化。 通过测量其电阻值的变化，就能检测出容器的倾斜角。 0005 但是，金属电极与导电性液体的直接接触，造成电极本身金属的析出、导电性液体 的电解等电化学反应，传感器的精度及稳定性很难得到长期的保障。 0006 关于静电电容式传感器，中国CN1668892A号专利中介绍了相关技术。该传感器就 是在电绝缘体制的筒状密闭容器内密封入内容积的1/2量的导电性液体，容器内平行的两 个侧面上放置板状主电极，其表面有硅氧化覆盖膜，充当电介质。当容器倾斜时，容器与内 部的液体表面所成的角度发生变化，使得板状主电极和导电性液体之间的电容发生变化。 从而，对其电容值的。
10、变化进行测量，以检测出容器的倾斜角的大小。 0007 但是，在这种静电电容式传感器的情况下，当筒状密闭容器发生的倾斜角度过大 时，容器内部的液体偏置一侧而失去与另一个主电极的接触，此时这种传感器失去功效。由 于原理的局限性，其可测倾斜角的量程总是有限的，且取决于容器内部的结构尺寸。 发明内容 0008 本发明针对上述现有检测倾角的传感方式中金属电极与导电性液体的直接接触、 传感器稳定性很难得到长期的保障、可测倾角量程的有限性等问题，本发明提出和设计了 同心共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾角测量方法与装置，该发明中使用的绝缘性液体 避免了极板的析出等电化学反应，传感器单元中的环形共面电容结构实现。
11、了360度全量程 测量。 0009 本发明的目的通过以下技术方案实现： 0010 一种同心共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾角测量方法，所述方法步骤如下： 0011 (1)、将一个圆形金属板和外部圆环形金属板共面同心放置，且圆形金属板和外部 说 明 书CN 104034256 A 2/5页 4 圆环形金属板沿径向四等分，分别得到四份四分之一圆形金属板和四份四分之一圆环形金 属板，所述同一扇形角所对的四分之一圆形金属板和四分之一圆环形金属板形成电容，所 述四份四分之一圆形金属板与四份四分之一圆环形金属板组合得到环形共面电容测头； 0012 (2)、将环形共面电容测头垂直浸入到绝缘性液体中，绝缘性液。
12、体的液面通过环形 共面电容测头的中心，同一扇形角所对的四分之一圆形金属板和四分之一圆环形金属板形 成的电容容值由空气的介电常数、绝缘性液体的介电常数、各自极板裸露在空气中部分所 对的扇形角和浸没在绝缘性液体中部分所对的扇形角共同决定； 0013 (3)、上述环形共面电容测头沿中心进行圆周旋转时，其倾角发生改变，绝缘性液 体的液面保持水平，环形共面电容测头与绝缘性液体的相对位置发生变化，各极板裸露在 空气中部分所对的扇形角和浸没在绝缘性液体中部分所对的扇形角发生改变，测量上述同 一扇形角所对的四分之一圆形金属板和四分之一圆环形金属板形成的电容容值的变化，求 得倾角值。 0014 一种同心共面四等。
13、分环-四等分圆嵌套极板倾角测量装置，包括电容测量单元和 倾角计算单元，所述电容测量单元与倾角计算单元连接；所述装置还包括传感器单元，所述 传感器单元的构造是：在一端呈开口状的圆柱体容器的开口端密封装配圆形绝缘基板，在 圆柱体容器腔内位于圆形绝缘基板里侧面上配装环形共面电容测头；所述环形共面电容测 头由四个四分之一圆形金属板和四个四分之一圆环形金属板构成，其中四个四分之一圆环 形金属板配置在四个四分之一圆形金属板外侧，且四个四分之一圆环形金属板与四个四分 之一圆形金属板共面同心，所述四个四分之一圆环形金属板沿周向均匀分布且与四个四分 之一圆形金属板一一对应；八根电位引线依次分别将四个四分之一圆形。
14、金属板、四个四分 之一圆环形金属板与电容测量单元的输入端连接；所述圆柱体容器呈横置，在所述圆柱体 容器内密封注入占圆柱体容器体积二分之一的绝缘性液体。 0015 本发明具有以下特点及良好效果： 0016 (1)与电阻式倾角测量装置相比，由于与电极极板接触的是绝缘性液体，避免了极 板本身金属的析出等电化学反应，因此能够长期维持传感器的稳定性和可靠性。 0017 (2)与静电电容式倾角测量装置相比，由于横置的容器可沿中心轴线360度旋转， 输出的电容值始终与倾斜角存在函数关系，因此测量范围不受限制，具有360度全量程测 量的特点。 0018 (3)由于圆形金属板和外部圆环形金属板均沿径向四等分，得。
15、到的四份四分之一 圆形金属板和四份四分之一圆环形金属板一一对应，使得环形共面电容测头的径向分割线 附近的电力线分布更加均匀，从原理上消除了由径向分割所产生的微小误差，测量结果更 加精确。 附图说明 0019 图1为同心共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾角测量装置的传感器单元的外形 透视图 0020 图2为同心共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾角测量装置的传感器单元中环形 共面电容测头的原理示意图 0021 图3为同心共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾角测量装置的传感器单元中环形 说 明 书CN 104034256 A 3/5页 5 共面电容测头的正视图 0022 图4为同心共面四等分环-四等分圆嵌套。
16、极板倾角测量装置的传感器单元中环形 共面电容测头倾斜时的说明图 0023 图5为同心共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾角测量装置的整体结构示意图 0024 图中件号说明：1环形共面电容测头、2、3、4、5四分之一圆形金属板、6、7、8、9四分 之一圆环形金属板、10圆形绝缘基板、11圆柱体容器、12绝缘性液体、13、14、15、16、17、18、 19、20电位引线、21传感器单元、22电容测量单元、23倾角计算单元。 具体实施方式 0025 下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。 0026 一种同心共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾角测量装置，包括传感器单元21、 电容测量单元22和倾角计算单。
17、元23，如图5所示为倾角测量装置的整体结构示意图。 0027 图1中示出倾角测量装置的传感器单元的外形透视图，所述传感器单元21的构造 是：在一端呈开口状的圆柱体容器11的开口端密封装配圆形绝缘基板10，在圆柱体容器11 腔内位于圆形绝缘基板10里侧面上配装环形共面电容测头1；所述环形共面电容测头1由 四个四分之一圆形金属板2、3、4、5和四个四分之一圆环形金属板6、7、8、9构成，其中四个 四分之一圆环形金属板6、7、8、9配置在四个四分之一圆形金属板2、3、4、5外侧，且四个四 分之一圆环形金属板6、7、8、9与四个四分之一圆形金属板2、3、4、5共面同心，所述四个四 分之一圆环形金属板6。
18、、7、8、9沿周向均匀分布且与四个四分之一圆形金属板2、3、4、5一一 对应；八根电位引线13、14、15、16、17、18、19、20依次分别将四个四分之一圆形金属板2、3、 4、5、四个四分之一圆环形金属板6、7、8、9与电容测量单元22的输入端连接；所述圆柱体容 器11呈横置，在所述圆柱体容器11内密封注入占圆柱体容器11体积二分之一的绝缘性液 体12。 0028 所述的圆形绝缘基板10由树脂玻纤材料制成。 0029 所述的绝缘性液体12是由甲醇、乙醇、异丙醇的醇类、丙酮、丁酮的酮类、二甘醇 单丁基醚的醚类中的一种或多种成分组合的液体。 0030 一种同心共面四等分环-四等分圆嵌套极板倾。
19、角测量方法，该方法步骤如下： 0031 (1)将一个圆形金属板和外部圆环形金属板共面同心放置，且圆形金属板和外部 圆环形金属板沿径向四等分，分别得到四份四分之一圆形金属板和四份四分之一圆环形金 属板，所述同一扇形角所对的四分之一圆形金属板和四分之一圆环形金属板形成电容，所 述四份四分之一圆形金属板与四份四分之一圆环形金属板组合得到环形共面电容测头。 0032 参照附图2，环形共面电容测头的金属板间电力线沿金属板均匀分布，可近似用半 圆弧形线代替。依照单一共面电容的求解公式，可知环形共面电容与电介质的介电常数成 正比关系，可用下式表示。 0033 CK 0034 (2)将环形共面电容测头垂直浸入。
20、到绝缘性液体中，绝缘性液体的液面通过环形 共面电容测头的中心，同一扇形角所对的四分之一圆形金属板和四分之一圆环形金属板形 成的电容容值由空气的介电常数、绝缘性液体的介电常数、各自极板裸露在空气中部分所 对的扇形角和浸没在绝缘性液体中部分所对的扇形角共同决定。 说 明 书CN 104034256 A 4/5页 6 0035 图3为倾角测量装置的传感器单元中环形共面电容测头的正视图，金属板2、6所 形成的电容、金属板3、7所形成的电容、金属板4、8所形成的电容以及金属板5、9所形成的 电容可分别用下式表示。 0036 0037 0038 0039 0040 (3)上述环形共面电容测头沿中心进行圆周。
21、旋转时，其倾角发生改变，绝缘性液体 的液面保持水平，环形共面电容测头与绝缘性液体的相对位置发生变化，各极板裸露在空 气中部分所对的扇形角和浸没在绝缘性液体中部分所对的扇形角发生改变。 0041 图4示出环形共面电容测头倾斜时的说明图。此时金属板2、6所形成的电容、金 属板3、7所形成的电容、金属板4、8所形成的电容以及金属板5、9所形成的电容分别为： 0042 0043 0044 0045 0046 对上式组合作差可得： 0047 0048 0049 进而求得倾斜角的求解公式为： 0050 说 明 书CN 104034256 A 5/5页 7 0051 通过电容测量单元和倾角计算单元将得到的信号进行比较处理，即可得到倾斜角 输出。 说 明 书CN 104034256 A 1/2页 8 图1 图2 图3 图4 说 明 书 附 图CN 104034256 A 2/2页 9 图5 说 明 书 附 图CN 104034256 A 。