[發明專利]磁性液體全方位水平傾角傳感器

有效

• 申請號: 201710321011.3
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN106969750B
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發明（設計）人: 楊文榮;郭兵;李健
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G01C9/18
• 分類號: G01C9/18
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 趙鳳英

1.一種磁性液體全方位水平傾角傳感器，其特征為該傳感器包括磁性液體測量元件、支架、水平底座和堆疊式永磁體；所述支架通過安裝孔固定在水平底座上；磁性液體測量元件安裝在支架上；所述堆疊式永磁體懸浮在磁性液體測量元件內部的磁性液體中；所述水平底座由固定螺栓固定在待檢測面上；

所述磁性液體測量元件包括封閉球殼、隧道磁電阻(TMR)傳感器a、隧道磁電阻(TMR)傳感器b、隧道磁電阻(TMR)傳感器c、連接桿、連接環和磁性液體；封閉球殼內裝有占球殼體積40％～50％的磁性液體和堆疊式永磁體，并通過連接桿與連接環相連接；4個連接桿均勻分布在封閉球殼水平方向最大圓周上，每個連接桿的一端垂直固定在球殼上；連接桿的另一端與連接環相連接，圓環狀的連接環在封閉球殼中部的最大圓周的外側；隧道磁電阻(TMR)傳感器b固定在封閉球殼外側的最底部，隧道磁電阻(TMR)傳感器a、隧道磁電阻(TMR)傳感器c分別位于封閉球殼水平方向最大圓周的外側，并且和球心在同一條直線上；

所述的堆疊式永磁體由3-5塊圓柱形永磁體以半徑從小到大的順序堆疊組成，圓柱永磁體的厚度相同，直徑最大的圓柱永磁體在最上方；軸向充磁的圓柱永磁體依靠相互之間的吸附力堆疊構成一個整體；永磁體的中心軸線重合；

支架為四根支腳，每根支腳包括半環形支柱、支柱a、調節柱、支柱b；所述半環形支柱用來支撐連接環，所述支柱b固定裝入水平底座相應的支腳安裝孔中；支柱a的無螺紋端與半環形支柱的相連接，有螺紋端與調節柱相連接，調節柱的另一端與支柱b有螺紋端相連接；

磁性液體全方位水平傾角傳感器的水平底座包括四個支腳安裝孔，四個固定螺栓通孔，一個指南針安裝孔，孔內安裝有指南針；

所述的磁性液體全方位水平傾角傳感器還包括A/D模數轉換器和微控處理器，每個隧道磁電阻(TMR)傳感器均與一個A/D模數轉換器相連，三個A/D模數轉換器均與微控處理器相連。

2.如權利要求1所述的磁性液體全方位水平傾角傳感器，其特征為所述的堆疊式永磁體為由5塊圓柱形永磁體堆疊組成，五塊圓柱永磁體的厚度均為2mm，半徑依次為10mm、8mm、6mm、4mm、2mm；所述的封閉球殼的半徑為20mm。

3.如權利要求1所述的磁性液體全方位水平傾角傳感器，其特征為所述磁性液體是煤油基Fe₃O₄磁性液體，按照體積比Fe₃O₄：煤油＝8：92配制；四氧化三鐵為納米顆粒，直徑的范圍在2～20nm。

4.如權利要求1所述的磁性液體全方位水平傾角傳感器的應用方法，其特征為包括以下步驟：

(1)放置磁性液體全方位水平傾角傳感器，使其最下部的隧道磁電阻(TMR)傳感器軸測量方向與指南針所示的方向北一致，此時通過固定螺栓將磁性液體全方位水平傾角傳感器固定在需要測量傾斜角和偏轉角的待測面上；

其中，球心O與隧道磁電阻(TMR)傳感器c 1-4測量點的連接線為Y軸，球心O與隧道磁電阻(TMR)傳感器b 1-3測量點的連接線為Z軸，X軸垂直于Y、Z軸組成的平面；

(2)轉動調節柱傾角傳感器調零：轉動四個支腳上的調節柱，使隧道磁電阻a、c處于同一條水平線，此時隧道磁電阻(TMR)傳感器a、c各自的的三個磁敏感軸方向上，三軸中對應軸的輸出測量值相等；隧道磁電阻(TMR)傳感器b測量的總磁感應強度B_b等于895.7Gs；實現磁性液體全方位水平傾角傳感器調零；

其中，三個隧道磁電阻(TMR)傳感器均具有軸、軸、軸三個相互垂直的測量方向，固定在球殼上的三個隧道磁電阻(TMR)傳感器軸與X軸方向一致，軸指向球殼的球心，軸垂直于軸、軸所在平面，且遵守右手定則；

(3)當待測面傾斜后，靜置2～3分鐘，待傾角傳感器穩定；

(4)采集隧道磁電阻(TMR)傳感器輸出電壓，計算磁感應強度B_a、B_b、B_c的大小：微控處理器STM32通過A/D模數轉換器ADS1256，依次采集三個隧道磁電阻(TMR)傳感器的，共計九路差分輸出電壓信號；模數轉換器將模擬電壓信號轉換為數字電壓信號，轉遞給微控處理器STM32；微控處理器STM32將九個數字差分輸出電壓，按照公式(1)V_x＝K·B_x，分別計算出三個隧道磁電阻(TMR)傳感器各自的方向的三個軸的磁感應強度分量B_x、B_y、B_z，然后再利用公式(2)計算出隧道磁電阻(TMR)傳感器a、b、c測量的三位置上的磁感應強度B_a、B_b、B_c；

其中，V_x、B_x、K分別為隧道磁電阻(TMR)傳感器軸向輸出電壓、磁感應強度測量值，靈敏度；B_x、B_y、B_z為球殼上磁感應強度B的三個分量；

(5)微控處理器STM32判斷磁感應強度B_a、B_b、B_c的大小關系，將其中的最大值代入公式(4)相應的函數中，得出傾斜角θ并通過RS232串口線將結算結果發送到PC機顯示；

其中，θ為傾斜角；B_a、B_b、B_c分別為隧道磁電阻(TMR)傳感器a、b、c三位置上的磁感應強度測量值；

(6)微控處理器SIM32完成傾斜角θ計算后，再將磁感應強度B_a、B_b、B_c中，最大值的兩個磁感應強度分量B_y、B_x，代入公式(6)相應的函數中，解算偏轉角β通過RS232串口線將結算結果發送到PC機顯示；

其中，β為偏轉角；B_y、B_x分別為三個磁感應強度B_a、B_b、B_c中最大值所對應的磁感應強度分量；

(7)兩個值都得到，測量結束。