[發明專利]一種液位分布式傾仰角檢測器及檢測方法

有效

• 申請號: 202011021699.1
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112284348B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 高燕;吳明康;聶子健;蔡紀源;王順華;李璟;殷家騰;孫冬;顧斌;張照鋒;吳珊珊;湯滟
• 申請（專利權）人: 南京信息職業技術學院
• 主分類號: G01C9/18
• 分類號: G01C9/18;G01C1/00;G01B13/18
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 朱戈勝

1.一種液位分布式傾仰角檢測方法，其特征在于：使用液位分布式傾仰角檢測器，液位分布式傾仰角檢測器，包括：控制器(6)和內部中空形成圓柱腔的透明圓柱容器(1)；

圓柱容器(1)內腔裝有液體(2)，內壁貼有電連接于控制器(6)的壓力傳感器(3)，壓力傳感器(3)在內壁圓周上形成壓力傳感器環形陣列，壓力傳感器環形陣列中的同位陣元沿軸向延伸至圓柱容器(1)端面，形成壓力傳感器軸向陣列；

控制器(6)和壓力傳感器(3)之間設有信號調理器(4)和模數轉換器(5)，控制器(6)輸出端設有數據輸出模塊；每個陣元上壓力傳感器(3)因受到壓力而感應電壓，經信號調理器(4)進行放大和濾波處理后，再經模數轉換器(5)模數轉換后，控制器(6)讀取并計算，得到當前的軸向傾角和繞軸仰角，數據輸出模塊向用戶輸出測試結果；

所述圓柱容器(1)內腔所裝的液體(2)采用熔點低于-50℃、沸點高于+50℃的液類，液體(2)體積為圓柱容器(1)容積的一半，圓柱容器(1)內腔的剩余空間抽成真空或者充入一個大氣壓的氮氣；

所述壓力傳感器(3)為貼片式擴散硅壓力傳感器(3)，壓力傳感器環形陣列及壓力傳感器軸向陣列中每個陣元呈均勻分布；

所述控制器(6)可采用單片機或ARM處理器；

所述數據輸出模塊為電連接于控制器(6)的顯示器(7)和/或揚聲器(8)；

檢測方法步驟為：壓力傳感器(3)根據所在位置液體(2)深度不同而輸出不同的感應電壓，壓力傳感器環形陣列的每個陣元輸出感應電壓至控制器(6)，控制器(6)將每個環形陣列中液體(2)深度最大的壓力傳感器(3)視為有效陣元，所有的壓力傳感器(3)有效陣元形成有效壓力傳感器軸向陣列，有效壓力傳感器軸向陣列輸出的系列感應電壓值形成圓柱容器(1)內腔壁最大液壓值軸向分布向量，用該向量反映圓柱容器(1)的軸截面液位分布，基于軸截面液位分布得到當前軸向傾角；對壓力傳感器環形陣列中每個陣元進行標號構成索引號，根據高液位一側端面上壓力傳感器環形陣列中有效陣元的索引號，得到當前的繞軸仰角；

所述檢測方法具體為：

步驟1：參數初始化

M←Φ，u_thd←μ，k←k′，U←Φ，其中，符號←表示賦值，M表示有效壓力傳感器軸向陣列索引集，Φ代表空集，u_thd表示電壓差門限，μ由生產商預設，μ趨近于零，k表示壓力傳感器(3)所在位置液體(2)深度與對應檢測電壓的比值，k′由用戶對矩陣U的數據進行定期標定并線性擬合后獲取，矩陣U表示圓柱容器(1)內腔壁液壓分布所反映的檢測電壓分布；用U的第n行第k列元素u_n,k表示軸向自左至右第n環形陣列逆時針第k陣元所對應的檢測電壓，用U的第n行向量u_n,:＝[u_n,1,…u_n,K]反映軸向自左至右第n壓力傳感器環形陣列所在內腔壁的液壓分布，用U的第k列向量u_:,k＝[u_1,k,…u_N,k]^T反映壓力傳感器(3)各個環形陣列的逆時針第k陣元所形成的軸向陣列所在內腔壁的液壓分布，其中，N表示軸向自左向右共N個壓力傳感器環形陣列，K表示每個壓力傳感器環形陣列中共K個陣元；

步驟2：采集零液壓下的輸出電壓以賦值調零矩陣

步驟2.1：將圓柱容器(1)平放，即令軸向傾角θ≈0；

步驟2.2：確定有效壓力傳感器軸向陣列

控制器(6)讀取軸向自左至右第n壓力傳感器環形陣列所在內腔壁的液壓分布采用如下公式計算有效壓力傳感器軸向陣列索引號m：

由此確定有效壓力傳感器軸向陣列，并構建有效壓力傳感器軸向陣列檢測電壓向量u_:,m＝[u_0,m,…u_N-1,m]^T；

步驟2.3：讀取與有效壓力傳感器軸向陣列對稱的軸向陣列的檢測電壓

f(m)←mod(K,m+K/2)，

mod(x,y)表示以x為模對y進行取模，則索引號為f(m)的軸向陣列與索引號為m的軸向陣列關于軸線呈幾何對稱，

u′_:,f(m)←u_:,f(m)

u′_:,f(m)即與有效壓力傳感器軸向陣列對稱的零液壓下的軸向陣列的檢測電壓，用于后續調零；

步驟2.4：賦值調零矩陣

U′(:,f(m))←u′_:,f(m)，

其中U′為檢測電壓調零矩陣；

步驟2.5：賦值有效壓力傳感器軸向陣列索引集：M←M∪{m}；

步驟2.6：若有效壓力傳感器軸向陣列索引集M未完備則繼續使之更完備

若M達到完備，即M＝{1,…K}，則跳轉步驟3，否則控制器(6)通過數據輸出模塊提示用戶將圓柱容器(1)繞軸逆時針旋轉一個角度，跳轉至步驟2.2；

步驟3：測試當前姿態下的軸向傾角θ

若|U_:,m(0)-U′_:,m(0)|u_thd，則采用小軸向傾角計算公式，如下：

θ＝sin^-1(k(|U_:,m(N-1)-U′_:,m(N-1)|-|U_:,m(0)-U′_:,m(0)|)/a₀)其中，sin^-1(·)表示正弦反函數，a₀表示圓柱容器(1)的軸向長度；

否則，采用大軸向傾角計算公式，如下：

θ＝sin^-1(k|U_:,m(N-1)-U′_:,m(N-1)|/((N-n′+1)d))

其中，d表示相鄰壓力傳感器(3)的軸向間距，n′的獲取采用如下計算公式：

n′＝min{n||U_:,m(n)-U′_:,m(n)|u_thd,0≤n≤N-1}

步驟4：測試當前姿態下的繞軸仰角采用如下計算公式：