[发明专利]一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器及其测量方法

权利要求书

1.一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，其特征在于，包括：磁悬浮机械系统与测量系统，磁悬浮机械系统包括圆柱形磁极对(1)和圆柱形悬浮棒(2)，圆柱形磁极对(1)包括两个直径相同、长度相同的圆柱形磁极，两者充磁方向均为径向，呈对称布置，且磁化强度大小相等，无需外力即可自然吸合在一起，圆柱形磁极对(1)中间区域自发产生驼峰型磁场；圆柱形悬浮棒(2)采用抗磁性材料制作，圆柱形悬浮棒(2)可被动稳定悬浮于两个圆柱形磁极的相邻区域的上方，圆柱形悬浮棒(2)稳定悬浮于圆柱形悬浮棒(2)总势能极小值点处，圆柱形悬浮棒(2)的总势能包括圆柱形悬浮棒(2)的磁势能及重力势能；测量系统包括第一激光位移感测头(3)、第二激光位移感测头(4)、控制器(5)、计算机(6)、凹槽(7)、平板(8)、基座(9)、铰链(10)、深度千分尺(11)，控制器(5)处理来自第一激光位移感测头(3)和第二激光位移感测头(4)测量的电信号，并将处理结果转化为数字信号输送到计算机(6)中显示，圆柱形磁极对(1)固定于凹槽(7)内，凹槽(7)固定在平板(8)上，平板(8)的一端与基座(9)通过铰链(10)的连接，平板(8)可绕铰链(10)转动，平板(8)另一端置于深度千分尺(11)上，通过调节深度千分尺(11)可以改变平板(8)的上升高度，同时改变平板(8)与水平面的倾角θ，第一激光位移感测头(3)固定于平板(8)上，可随平板(8)一起转动，用于测量圆柱形悬浮棒(2)的轴向悬浮位置；第二激光位移感测头(4)固定于基座(9)上，用于测量平板(8)的上升高度，倾角θ与平板相对于水平面的上升高度h两者之间的数学关系为：

其中，l为铰链(10)的中心点与深度千分尺(11)之间的距离；

通过改变上升高度h的大小，第一激光位移感测头(3)实时测量记录圆柱形悬浮棒(2)的轴向悬浮位置z，第二激光位移感测头(4)实时测量记录平板(8)的上升高度h，得出圆柱形悬浮棒(2)的轴向悬浮位置z随上升高度h变化的实验数据，分析实验数据得出h与z之间的对应关系：

h＝f(z) (2)

将式(2)代入式(1)中，倾角θ的模型为：

2.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，其特征在于：圆柱形悬浮棒(2)的轴向悬浮位置随圆柱形磁极对(1)与地面的夹角的变化而变化。

3.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，其特征在于：圆柱形悬浮棒(2)的重量等于圆柱形磁极对对圆柱形悬浮棒(2)抗磁力的大小。

4.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，其特征在于：圆柱形悬浮棒(2)的直径应与圆柱形磁极对(1)中圆柱形磁极的直径之比小于1：4。

5.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，其特征在于：圆柱形悬浮棒(2)的长度与圆柱形磁极对(1)的长度之比小于1：5。

6.一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器测量方法，其特征在于：包括如下步骤

步骤1、首先将圆柱形悬浮棒(2)放置在圆柱形磁极对(1)中间区域，待其稳定悬浮；

步骤2、调节第一激光位移感测头(3)的竖直和水平位置，调节第一激光位移感测头(3)的竖直位置使感测头发射出的激光束对准圆柱形悬浮棒(2)的圆端面；调节第一激光位移感测头(3)的水平位置使圆柱形悬浮棒(2)的圆端面与第一激光位移感测头(3)之间的距离在第一激光位移感测头(3)的测量范围内，调节完毕后固定第一激光位移感测头(3)的位置；

步骤3、调节第二激光位移感测头(4)的竖直位置，调节第二激光位移感测头(4)的竖直位置使平板(8)与第二激光位移感测头(4)之间的距离在第二激光位移感测头(4)的测量范围内，调节完毕后固定第二激光位移感测头(4)的位置；

步骤4、记录此时第一激光位移感测头(3)与第二激光位移感测头(4)的读数；

步骤5、改变平板(8)与水平面之间的倾角，通过调节深度千分尺(11)可改变平板(8)的上升高度，从而改变平板(8)与水平面之间的倾角，记录此时第一激光位移感测头(3)与第二激光位移感测头(4)的读数；

步骤6、继续改变平板(8)与水平面之间的夹角直至悬浮棒(2)不再悬浮，重复测量并记录此时第一激光位移感测头(3)与第二激光位移感测头(4)的读数；

步骤7、处理第一激光位移感测头(3)与第二激光位移感测头(4)的数据，得出圆柱形悬浮棒(2)的轴向悬浮位置z随上升高度h变化的关系式，具体为h＝f(z)；

步骤8、圆柱形悬浮棒(2)的轴向悬浮位置z随上升高度h变化的关系式代入倾角模型中，得出倾角模型的具体表达式，具体为：从而实现了只需测量悬浮棒(2)的轴向悬浮位置即可得出倾角的大小。