[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

说明书

本发明公开了一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，包括圆柱形磁极对和圆柱形悬浮棒、第一激光位移感测头、第二激光位移感测头、控制器、计算机、凹槽、平板、基座、铰链、深度千分尺，第一激光位移感测头实时测量记录圆柱形悬浮棒的轴向悬浮位置，第二激光位移感测头实时测量记录平板的上升高度，得出圆柱形悬浮棒的轴向悬浮位置随上升高度变化的实验数据，得出倾角与圆柱形悬浮棒的轴向悬浮位置之间的对应关系。本发明的一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器结合抗磁悬浮圆柱棒高灵敏性与光学测量技术高精密的特点，可实现微小角度的测量；提供了驼峰型磁场，当圆柱棒倾斜在一定范围内时，无需外力作用也能保持圆柱棒稳定悬浮在圆柱形磁极对上。

技术领域

本发明公开了一种基于抗磁悬浮原理与光学检测技术相结合的倾角传感器，属于精密仪器仪表领域。

背景技术

倾角传感器作为最为重要的角度测量单元之一，广泛应用于军用、民用等领域当中，如机器人位姿监测、车辆控制、船舶运输、航空测量、平台测试、农业机械和建筑机械等。随着人们对测量技术的简便化和精密化等需求的日益增长，各种高精密的倾角传感器逐渐被开发，引起了相关领域的高度关注。

目前的倾角测量原理主要有机械测量、电磁测量和光学测量三种方法，其中机械测量方法自动化程度较低，电磁测量方法抗电磁干扰能力较弱，相比之下光学检测技术具有快速、高精度和高灵敏度的特点，通过测量被测物体的应变计算出被测物体的倾角大小，广泛运用于高精密的测量仪器当中。

然而对于微小角度的测量而言，现存的倾角传感器几乎都无法摆脱测量单元与传感器机体本身的摩擦带来的负面影响。不仅影响倾角传感器的测量精度和分辨率的大小，还会降低倾角传感器的使用寿命，不能更好地满足超高精密仪器的使用要求。

抗磁悬浮是利用抗磁性物质的抗磁性使其在磁场中稳定悬浮的技术，最初于18世纪年发现，但由于抗磁力自身非常微弱，研究人员当时并未对抗磁悬浮进行深入的研究。直到近30年来，随着微细制造与强磁场技术的发展，抗磁悬浮相关研究及应用才开始兴起。抗磁悬浮不受Earnshaws定理的限制，可以实现常温、被动、无摩擦、静态稳定悬浮，且对悬浮物重力的变化具有较高的敏感度，在高精密及超高精密仪器角度测量中具有极大的应用前景。

在本发明之前，在微小角度的测量方面，国内的相关研究大部分侧重于改善测量原理，包括机械测量、电磁测量和光学测量，尚未发现与本专利类似的基于抗磁悬浮原理与光学检测技术相结合的倾角传感器技术。

发明内容

发明目的：本发明旨在提高微小角度的测量精度满足高精密及超高精密仪器的位姿监测的需求，提出了一种基于抗磁悬浮原理与光学检测技术相结合的倾角传感器及其测量方法。

技术方案：

一种基于抗磁悬浮原理的倾角传感器，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和圆柱形悬浮棒，圆柱形磁极对包括两个直径相同、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，圆柱形磁极对中间区域自发产生驼峰型磁场；圆柱形悬浮棒采用抗磁性材料制作，圆柱形悬浮棒可被动稳定悬浮于两个圆柱形磁极的相邻区域的上方，圆柱形悬浮棒稳定悬浮于圆柱形悬浮棒总势能极小值点处，圆柱形悬浮棒的总势能包括圆柱形悬浮棒的磁势能及重力势能；测量系统包括第一激光位移感测头、第二激光位移感测头、控制器、计算机、凹槽、平板、基座、铰链、深度千分尺，控制器处理来自第一激光位移感测头和第二激光位移感测头测量的电信号，并将处理结果转化为数字信号输送到计算机中显示，圆柱形磁极对固定于凹槽内，凹槽固定在平板上，平板的一端与基座通过铰链的连接，平板可绕铰链转动，平板另一端置于深度千分尺上，通过调节深度千分尺可以改变平板的上升高度，同时改变平板与水平面的倾角θ，第一激光位移感测头固定于平板上，可随平板一起转动，用于测量圆柱形悬浮棒的轴向悬浮位置；第二激光位移感测头固定于基座上，用于测量平板的上升高度，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