专利名称：气体摆式倾角传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体摆式倾角传感器。
倾角传感器都是基于“摆”的工作原理，即利用重力场内“摆”力图保持在铅垂方向的特性来设计各种倾斜仪。电位器式、电容式和电感式倾斜仪都是利用固体摆锤将倾角转变成相应的电阻、电容或电感量的变化，它们均属于固体摆式倾角传感器;电解液式倾斜仪则是利用浸入电解液的电极深度随倾斜角改变的工作原理，它属于液体摆式倾斜仪。
上述固体摆式和液体摆式倾斜仪，都不同程度地存在以下不足结构复杂，制作工艺难度大，且抗冲击和振动性能差，动态范围狭窄。
本发明的目的在于提供一种采用“气体摆”代替“固体摆”或“液体摆”的倾角传感器。该传感器称气体摆式倾角传感器，其抗冲击和振动性能好，机械结构简单，能直接输出跟倾角大小成正比的模拟电压。
根据传热学理论，当有密度梯度的气体受重力作用时便会产生自然对流，密度梯度可由温度梯度引起。因此，将热敏丝置于气体摆的密封气体腔内并对其通电加热，则腔内气体形成温度梯度，在重力作用下则产生自然对流。若使传感器倾斜一个角度，而气流仍保持在铅垂方向，这样就制成一个具有单摆特性的“气体摆”。
本发明的目的可以通过以下措施来达到气体摆式倾角传感器由敏感元件、信号处理电路和壳体组成。其发明点是敏感元件采用置于密封气体腔内的热敏电阻丝。密封气体腔的壳体可以是圆柱形或者球形，选用导热良好的材料制作，以便减小热漂移。热敏电阻丝选用电阻温度系数大、稳定性好的金属丝。利用传感器的倾斜角度直接改变热敏丝与气体自然对流方向之间的几何位置关系，从而改变热敏丝的温度，致使热敏丝的阻值改变。通过电桥电路即可得到与倾角成比例的直流电压信号。由该电压的极性，确定倾角的方向。
以下结合
气体摆式倾角传感器的工作原理。
图1是气体摆式倾角传感器的结构示意图。
图2是平行排列热敏丝的气体摆剖视图。
图3是气体摆式倾角传感器的电桥电路原理图。
图4是交叉排列热敏丝的气体摆俯视图和正视图。
参看图1，气体摆式倾角传感器由气体摆1、信号处理电路2和外壳3组成。外壳3上的多芯插座4用于外接电源和输出信号。
图2是平行排列热敏丝的气体摆剖视图。壳体5、端盖6和螺钉7等构成气体摆的密封腔8。该实施例中密封腔为圆柱形。铜电极11有四根，通过绝缘层(如玻璃)12封装到壳体5上。壳体5、端盖6及螺钉7均采用导热性好的铜或铝等金属材料制作。密封腔8内气体为空气或其它气体。热敏丝9和10选用电阻温度系数大和稳定性好的金属材料，如Pt丝，其直径为0.1～100μm。两热敏丝分别焊接在四根铜电极上，并平行于圆柱形内腔的轴线，其间距为0.5～5mm，丝长为2～20mm。
图3是气体摆式倾角传感器的电桥电路原理图。图中r1、r2分别代表图2中热敏电阻丝9和10，并与参考电阻R1和R2构成电桥电路。Vh为直流电压源，Vo为电桥输出电压。当接通电桥电源时，热敏丝9和10被加热至工作温度300～500℃，其周围气体温度升高、密度减小，在重力作用下即产生自然对流。当气体摆没有倾斜时，热敏丝9和10处于同一水平面内，热气流均竖直向上，相互之间热量交换相等，r1、r2阻值不变，调整参考电阻R1和R2使电桥保持平衡。当气体摆绕其敏感轴(即平行于热敏丝的长度方向)倾斜一个角度时，两热敏丝不再处于同一水平面内，位置高的热敏丝将受热气流影响，温度升高，阻值增加;位置低的热敏丝则受冷气流影响阻值减小，从而使电桥失去平衡，输出与倾角成比例的电压信号。
图4是本发明的另一个实施例，即交叉排列热敏丝的气体摆式倾角传感器。其外壳由上盖14、底座13和设置热敏丝9、10的密封气体腔15构成。图4(a)是气体摆的底座13的俯视图。图4(b)是气体摆的正视图。该实施例中密封气体腔15为球形。两热敏丝9和10交叉焊接在四根电极11上，热敏丝9被热敏丝10分成9a和9b两部分，每根热敏丝长为2～20mm，直径为0.1～100μm。电极11通过绝缘层12封装到底座13上。电极从底座下方露出，以便焊接引线。底座13与上盖14通过四个螺钉(螺钉孔16)上下固定。从而组成完整的气体摆。电极11、上盖14、底座13及螺钉均选用导热良好的材料制作，以便减小热漂移。
交叉排列热敏丝的气体摆式倾角传感器的电桥电路原理图仍参见图3，此时r1和r2分别代表图4中热敏电阻丝9a和9b，其它参数含义不变。当接通电桥电源时，热敏丝9a和9b被加热至工作温度300～500℃，其周围气体温度升高，密度减小，在重力作用下即产生自然对流。当气体摆没有倾斜时，热敏丝9a和9b处于同一水平面内，其间热交换相同，调整R1和R2，使电桥保持平衡。当气体摆绕其敏感轴(即在水平面内并垂直于热敏丝9的长度方向)旋转一个角度时，则9a和9b不再处于同一水平面内，位置较高的部分将受热气流影响，温度上升，阻值变大;位置较低的部分受冷气流影响阻值减小，从而使电桥失去平衡，输出跟倾角成比例的电压信号。
为了获得所需的灵敏度及线性度，需要对电桥输出信号进行处理。气体摆式倾角传感器的信号处理电路由放大、补偿和滤波等部分组成。补偿电路包括零位补偿，温度补偿和非线性补偿等。
气体摆式倾角传感器采用±5～±15VDC电源供电。电桥可以带有零位补偿的可调电位器，其有效输出可达±50mV，选择适当参数即可得到大于300mV/°的比例系数。其动态范围可达±45°。
本发明可用于建筑、机械、水利、交通、铁道工程、桥梁建设、地质钻探，以及各种测斜定向系统。
权利要求
1.一种倾角传感器由敏感元件、信号处理电路及壳体组成，其特征是敏感元件采用置于密封气体腔内的热敏电阻丝。
2.一种如权利要求1所述的倾角传感器，其特征是密封气体腔内的气体是空气或其它气体。
3.一种如权利要求1所述的倾角传感器，其特征是密封气体腔可以是圆柱形或者球形。
4.一种如权利要求1或2所述的倾角传感器，其特征是热敏电阻丝是电阻温度系数大、稳定性好的金属丝。
5.如权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于热敏丝排列成平行式或交叉式。
6.如权利要求1、2所述的倾角传感器，其特征是密封气体腔的壳体用导热性好的金属材料制成。
全文摘要
一种气体摆式倾角传感器，敏感元件采用置于密封气体腔内的热敏丝。利用传感器相对于铅垂方向有倾斜时，通电加热的热敏丝因密封腔内气体对流的变化，使热敏丝电阻值改变，通过电桥电路和信号处理电路，输出正比于倾角大小的电压信号。热敏丝的排列可以是平行式或交叉式。这种传感器的抗冲击和振动性能好，机械结构简单。其动态范围±45°，精度优于10
文档编号G01C9/00GK1064351SQ92100599
公开日1992年9月9日 申请日期1992年2月11日 优先权日1992年2月11日
发明者张福学, 陈占先, 罗玉华 申请人:北京信息工程学院