[發(fā)明專利]環(huán)形簧片扁化式傾斜角測試器及測試方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011021697.2
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112284342B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳珊珊;吳明康;聶子健;蔡紀(jì)源;王順華;李璟;殷家騰;高燕;孫冬;顧斌;張照鋒;湯滟
• 申請（專利權(quán)）人: 南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院
• 主分類號: G01C9/00
• 分類號: G01C9/00;G01C1/00;G01B5/24
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責(zé)任公司 32112
• 代理人: 朱戈勝

1.環(huán)形簧片扁化式傾斜角測試器，其特征在于：包括信號采集模塊和控制處理模塊；

信號采集模塊包括底板(1)、中柱(2)、直流電機(jī)(3)、轉(zhuǎn)桿(4)、簧片(5)和滑塊(6)；圓柱形的中柱(2)軸向固定于底板(1)上且接地，直流電機(jī)(3)設(shè)于中柱(2)上且直流電機(jī)(3)的電機(jī)軸(3a)豎向設(shè)置，轉(zhuǎn)桿(4)水平設(shè)置且轉(zhuǎn)桿(4)一端連接于直流電機(jī)(3)電機(jī)軸(3a)，電機(jī)軸(3a)和轉(zhuǎn)桿(4)保持接地；簧片(5)為置于底板(1)上的環(huán)形結(jié)構(gòu)且為金屬材質(zhì)，滑塊(6)為圓柱狀；中柱(2)和滑塊(6)均設(shè)于簧片(5)范圍內(nèi)；當(dāng)?shù)装?1)發(fā)生傾斜，滑塊(6)向傾斜方向滑動會對簧片(5)形成拉伸力；簧片(5)電連接于控制處理模塊，簧片(5)還連接一上拉電阻后連接于電源；

控制處理模塊用于通過直流電機(jī)(3)驅(qū)動電路驅(qū)動直流電機(jī)(3)電機(jī)軸(3a)轉(zhuǎn)動進(jìn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)桿(4)轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)桿(4)與簧片(5)不接觸時(shí)，控制處理模塊檢測到高電平；當(dāng)轉(zhuǎn)桿(4)轉(zhuǎn)動至接觸簧片(5)時(shí)，控制處理模塊檢測到低電平，低電平時(shí)獲取簧片(5)拉伸力F從而計(jì)算傾斜面的法線向量值。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形簧片扁化式傾斜角測試器，其特征在于：控制模塊包括微處理器、顯示器(7)、語音播放器(8)和鍵盤(9)，微處理器電連接于簧片(5)獲取轉(zhuǎn)桿(4)接觸簧片(5)檢測輸入電平Uin進(jìn)行斜面法線向量值的計(jì)算，顯示器(7)、語音播放器(8)和鍵盤(9)均電連接于微處理器用于人機(jī)交互；微處理器還電連接于直流電機(jī)(3)驅(qū)動電路驅(qū)動直流電機(jī)(3)轉(zhuǎn)動。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形簧片扁化式傾斜角測試器，其特征在于：測試器還包括機(jī)箱(10)、隔板(11)、面板(12)、電子模塊盒(13)和電池盒(14)；機(jī)箱(10)為內(nèi)部中空的方形結(jié)構(gòu)，隔板(11)水平安裝于機(jī)箱(10)內(nèi)用于將機(jī)箱(10)內(nèi)部分為上腔和下腔，底板(1)置于機(jī)箱(10)內(nèi)下腔中，機(jī)箱(10)底面與底板(1)平行，電子模塊盒(13)設(shè)于機(jī)箱(10)內(nèi)上腔中用于放置信號調(diào)理模塊和控制模塊，電池盒(14)也設(shè)于機(jī)箱(10)內(nèi)上腔中用于給系統(tǒng)供電，面板(12)水平設(shè)于機(jī)箱(10)內(nèi)上腔上表面用于固定和開放顯示器(7)、語音播放器(8)和鍵盤(9)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形簧片扁化式傾斜角測試器，其特征在于：所述滑塊(6)和中柱(2)均為圓柱狀結(jié)構(gòu)且半徑相同。

5.環(huán)形簧片扁化式傾斜角測試方法，其特征在于：采用上述權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的環(huán)形簧片扁化式傾斜角測試器，測試方法為：

步驟1：圓形簧片在沒有外來拉伸力的情況下保持圓形，若受到外來拉伸力，會發(fā)生扁化，即變成橢圓；若橢圓中心在O點(diǎn)，長軸某一端在A點(diǎn)即與中柱圓周的遠(yuǎn)交點(diǎn)處，定義OA方向?yàn)閤’軸，定義平行于底板邊長且穿過O點(diǎn)的所在直線為x軸，x軸與橢圓長軸交于O點(diǎn)；橢圓上距離A長度為轉(zhuǎn)桿長度d的位置存在兩觸點(diǎn)M₁和M₂，AM₁和AM₂與平行于x軸方向夾角分別為φ₁和φ₂，AM₁和AM₂的角平分線方向與平行于x軸方向的夾角表示為φ，AM₁和AM₂的夾角表示為Δφ，則簧片所受的拉伸力越大，Δφ越小；

開始檢測如下：

步驟2：控制處理模塊向直流電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)出順時(shí)針旋轉(zhuǎn)指令；

步驟3：轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)桿和簧片接觸時(shí)控制處理模塊可檢測到輸入電平Uin為低電平，當(dāng)二者未接觸時(shí)則檢測到高電平，因此，判斷當(dāng)前輸入電平Uin是否處于低電平；若是，則執(zhí)行步驟4，否則，返回步驟2；

步驟4：向直流電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)出停止旋轉(zhuǎn)指令；

步驟5：記錄當(dāng)前轉(zhuǎn)桿與x軸的逆時(shí)針夾角φ₁；

步驟6：向直流電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)出逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)指令；

步驟7：判斷當(dāng)前輸入電平Uin是否處于低電平；若是，則執(zhí)行步驟8，否則，返回步驟6；

步驟8：向直流電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)出停止旋轉(zhuǎn)指令；

步驟9：記錄當(dāng)前轉(zhuǎn)桿與x軸的逆時(shí)針夾角φ₂；

步驟10：根據(jù)φ₁和φ₂計(jì)算與簧片所受到的拉伸力G_xoy正交的y’軸所在方向在xoy坐標(biāo)系的單位向量g＝[g_x,g_y,g_y]及傾斜面與水平面的夾角的正弦值和余弦值根據(jù)和g＝[g_x,g_y,g_y]計(jì)算坐標(biāo)系變換矩陣T，具體為：

根據(jù)φ₁和φ₂計(jì)算傾斜面與水平面的夾角的正弦值和余弦值的步驟10a具體為：

步驟10a.1：計(jì)算轉(zhuǎn)桿在橢環(huán)簧片兩個(gè)觸點(diǎn)間的夾角Δφ，Δφ＝|φ₂-φ₁|；

步驟10a.2：估算橢圓長半軸長度a：

其中，p表示橢環(huán)簧片的周長；經(jīng)過誤差糾正的f(a)＝0的近似解表示為a_c，即橢圓長半軸a隨轉(zhuǎn)桿在橢環(huán)簧片兩個(gè)觸點(diǎn)間的夾角Δφ變化的估計(jì)；

步驟10a.3：查詢a～F對照表得到當(dāng)前a值所對應(yīng)的受力值F，從而得到滑塊重力值G在底板上的分力值G_xoy：G_xoy←F；

步驟10a.4：計(jì)算傾斜面與水平面的夾角的正弦和余弦值：

根據(jù)φ₁和φ₂計(jì)算與G_xoy正交的y’軸所在方向的單位向量g＝[g_x,g_y,g_y]的步驟10b，具體為：

步驟10b.1：計(jì)算簧片所受到的拉伸力G_xoy的方向與x軸的逆時(shí)針夾角φ；

其中，φ₁和φ₂分別表示AM₁和AM₂與平行于x軸方向的夾角；

步驟10b.2：計(jì)算與G_xoy正交的y’軸所在方向的單位向量，在xyz三維坐標(biāo)系中表示為g＝[g_x,g_y,g_y]，進(jìn)行如下賦值：

根據(jù)步驟10a和10b的結(jié)果計(jì)算變矩陣：

步驟11：被測平面的法線向量以水平面為xoy平面的三維坐標(biāo)系表示為：