专利名称：水介质电容／频率变换式多用途传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种以采用电的方法为特征来测量物体的倾斜度和角度以及测量水深度的的测量传感装置，具体地说，涉及一种水介质电容/频率变换式多用途传感器。
背景技术：
现有用于测量物体倾斜度(即水平度或垂直度)的传统器具为水平尺，它所依据的基本原理是一个装有水的容器，在地球引力作用下不论容器的法线与地平面呈何角度，其水平面总是与地平面相平行，其水平面与容器法线的夹角即为倾斜角。传统的水平尺正是利用这一点制成，人们通过观察水中气泡是否处在水平尺的正中位置来确定被测物是否水平或垂直。但是水平尺的缺点是，测量结果全凭肉眼观察得出，不仅存在一定的视差，而且测量值不能按角度精确量化，只是给予粗略指示。更为欠缺的是，测量结果不能转化成可供电脑接受的数字信号进行存贮、显示、打印以及用于自动控制，这样显然满足不了当今数字信息化时代的发展需要。
现有测量物体角度的器具有量角仪、仰角仪等，其缺点是须凭肉眼观测结果，不能转化成数字信号供电脑存贮处理，而且测量过程中人工操作甚为麻烦和繁琐。现有测量水深度一般采用电阻法或干簧管配磁传感器法，其缺点是测量结果粗略分档而未连续地精确量化，也不能转化成数字信号供电脑存贮处理和用于自动控制。
发明内容
为了解决现有测量物体的倾斜度和角度以及测量水深度的器具存在着的测量结果未连续地精确量化且不能方便地转化成数字信号以供电脑存贮处理等问题，本实用新型的目的，乃是提供一种可用于测量物体的倾斜度或角度或测量水深度的水介质电容/频率变换式多用途传感器，使得其不仅能将测量结果连续地精确量化，而且还能转化成数字信号以供电脑存贮处理和用于自动控制，同时还使得其操作使用方便易行。
本实用新型所采用的技术方案如下。它具有一包括充放电电容在内的阻容振荡频率发生器，其中充放电电容由两块相隔一定间距且平行放置的金属极板构成，充放电电容的两金属极板固定装设在一盛有水的容器内，一定深度的水浸渍在两金属极板之间而形成充放电电容的绝缘介质，阻容振荡频率发生器的其它元器件装设在一电路板上，充放电电容的两金属极板通过导线与电路板上相关的元器件相连。
具有上述结构的本实用新型在安装使用时，电路板最好用安装盒安装在其盛水容器的外侧壁上或容器内部而方便携带使用。当然，电路板也可单独装在盛水容器外的一电路盒内。测量时，将本实用新型的盛水容器放置在被测物上，由于被测物具有一定的倾斜度或角度或水深度，所以盛水容器内浸渍在充放电电容的两金属极板之间的作为填充绝缘介质的水就具有一定的高度和面积，因此，根据金属极板电容量的计算公式，此时电容量C的大小应为C＝A1ε1+A2ε2
上式中，A1和A2分别为金属极板的被水浸渍部分的面积和未被水浸渍部分的面积，ε1和ε2分别为水和空气的介电系数，即ε1＝80，ε2＝1，d为两金属极板之间的距离。且由上式可知，A1越大(即水浸渍的高度越高)，则电容量C就越大，而且几乎是成80倍地增加，它们之间可建立起一一对应的几乎是线性的关系。而如前所述，该充放电电容处在阻容振荡频率发生器电路中，该频率发生器输出频率的大小又与充放电电容的电容量大小具有一定的对应关系，因此说，输出频率的大小就与A1的大小(即水浸渍的高度)之间形成了一定的对应关系。由此可进一步得出，输出频率的大小与被测物的倾斜度或角度或水深度之间形成了一定的对应关系。于是，在正式测量时就可将本实用新型外接一由单片机进行编程控制的频率(占空比)/数字转换电路，就可将本实用新型输出的频率信号方便地转换为数字信号，从而使得数字信号与被测物的倾斜度或角度或水深度之间建立起一定的对应关系，再将此数字信号通过异步通讯RS-232接口就可供电脑进行显示、存贮、打印等处理和用于自动控制，从而测量出被测物的倾斜度或角度或水深度。
本实用新型具有如下优点和有益效果①利用水介质浸渍高度和面积对电容量大小的影响，以及采用阻容振荡频率发生器进行电容/频率变换，使得本实用新型的频率输出信号与充放电电容的电容量大小和被测物的倾斜度或角度或水深度建立起一定的对应关系，这就使得最后的测量结果可以连续地精确量化，从而提高测量精度，同时还可避免肉眼观测判断带来的误差。②输出的频率信号可供常用的频率(占空比)/数字转换电路方便地转换成数字信号而供电脑进行显示、存贮、打印、联网等处理和用作自动控制等，满足用户对测量结果的各种需要。③操作使用方便易行，携带保管也很便利。
图1为本实用新型的阻容振荡频率发生器采用单电容多谐振荡器的一种具体电路实施例；图2为本实用新型的阻容振荡频率发生器采用双电容式多谐振荡器的一种具体电路实施例；图3为采用图1所示电路的本实用新型用作小倾斜角度测量传感器的实施例的正向剖视图；图4为图3的A-A剖视图；图5为图3本实用新型测量时的示意图；图6为采用图1所示电路的本实用新型用作水深度测量传感器的实施例的盛水容器及内装充放电电容的正向剖视图；图7和图8分别为图6的B-B和C-C剖视图；图9为图6本实用新型用于水深度测量时的使用示意图；图10为采用图2所示电路的本实用新型用作小倾斜角度测量传感器的实施例的正向剖视图；图11为图10的D-D剖视图；图12为图10本实用新型测量时的示意图；图13为采用图2所示电路的本实用新型用作大倾斜角度测量传感器的实施例的正向剖视图；图14和图15分别为图13的E-E和F-F剖视图；图16为图13本实用新型测量时的示意图；图17为本实用新型与外接的频率(占空比)/数字转换电路、RS-232接口及电脑联用时的电原理方框图；图18为采用多个图3所示本实用新型与外接的频率(占空比)/数字转换电路、RS-232接口及电脑联用以测控一个大范围平面时的使用示意图。
具体实施方式
参见图1，该阻容振荡频率发生器由充放电电容C1、电阻R1与R2、非门U1A、U1B、U1C、U1D及电池连接构成，其中C1的一端与U1A的第2脚和U1B的第3脚共连在一起，C1另一端与R1和R2的一端共连在一起，R1的另一端与U1B的第4脚相连，R2的另一端与U1C的第5脚相连，U1A第1脚与UIC第6脚及UID第9脚共连在一起，U1D第8脚作为频率信号输出端OUT，U1A第14脚和第7脚分别与电池的正极Vcc和负极Vee相接。其中C1与R1构成充放电回路，且当R1固定时，该电路的输出频率随电容C1的改变而改变。非门U1A-U1D的型号可采用CD4069。
参见图2。该阻容振荡频率发生器由三极管V1与V2、充放电电容C2与C3、电阻R3至R6及电池连接构成，其中V1的集电极与C2和R3的一端连在一起作为频率信号输出端OUT1，V2的集电极与C3和R6的一端连在一起作为频率信号另一输出端OUT2，V1的基极与C3的另一端及R5的一端连在一起，V2的基极与C2的另一端及R4的一端连在一起，R3、R4、R5及R6的另一端连在一起再与电池的正极Vee相接，V1与V2的发射极共连在一起再与电池的负极Vcc相接。其中C2与R4、C3与R5分别构成充放电回路，OUT1和OUT2端输出频率分别由C2·R4和C3·R5决定。当取R4＝R5、C2＝C3时，其频率固定，且正、负方波的占空比对称。
参见图3、图4、图5及图1。该实施例采用如图1所示的阻容振荡频率发生器。其中充放电电容1(即是图1中的C1)，由两块相隔一定间距且平行放置的金属极板构成，它固定装设在一盛有水2的容器3中，该容器3做成一长方形盒状，两金属极板粘接固定在长方形盒状容器3内的一端，且两金属极板间用绝缘固定件4连接定位，一定深度的水2浸渍在两金属极板之间而形成充放电电容1的绝缘介质，图1中电路的其它元器件装在一电路板5上，电路板5装在一电路盒6内且将电路盒6固定装设在容器3的外侧壁面上，充放电电容1的两金属极板通过导线7与电路板5上相关的元器件相连。该传感器可用于物体的小倾斜角度的测量，测量时如图5所示将容器3置于被测物8的表面上，对于被测物8的不同的倾斜角度，充放电电容1被水浸渍的高度和面积就不相同，从图1所示OUT端输出信号的频率就间接反映了被测物8的倾斜角度及其变化。为了方便给多个如图3所示的传感器进行串联供水，还可在容器3两端底侧装设与容器3内部相连通的水路连接管头9。不过在单独使用时，应将此水路连接管头9封堵起来。
参见图6至图9及图1。该实施例采用如图1所示的阻容振荡频率发生器。其中充放电电容10(即是图1中的C1)，由两块相隔一定间距且平行放置的金属极板构成，它固定装设在一盛有水11的容器12中，该容器12做成一封闭的圆筒状且其底端开设一进水孔121，两金属极板间通过绝缘固定件13定位连接并整体卡置在容器12内壁面上，图1中电路的其它元器件装在一电路板14上，电路板14装设在一置于容器12外的电路盒15内，充放电电容10的两金属极板通过导线16与电路板14上相关的元器件相连。该传感器可用于物体的水深度测量，测量时如图9所示将容器12置于被测物17内水的底面，于是被测物17内具有一定深度的水11就通过进水孔121进入到容器12内，并浸渍到充放电电容10两金属极板间作为电容的绝缘介质，水11浸渍的高度与被测物17内的水面齐平，因此从图1所示的OUT端输出信号的频率就间接反映了被测物17内水的深度及其变化。
参见图10、图11、图12及图2。该实施例采用如图2所示的阻容振荡频率发生器。其中充放电电容18和19(即分别是图2中的C2和C3)，都是由两块相隔一定间距且平行放置的金属极板构成，它们固定装设在一盛有水20的容器21中，该容器21做成一长方形盒状，两充放电电容18和19各自的两金属极板分别粘接固定在长方形盒状容器21内的两端，且每一端的两金属极板间均用绝缘固定件22连接定位，一定深度的水20浸渍在两端充放电电容18和19的两金属极板间而形成绝缘介质，图2中电路的其它元器件装在一电路板23上，电路板23装在一电路盒24内且将电路盒24固定装设在容器21的外侧壁面上，充放电电容18和19的两金属极板分别通过导线25和26与电路板23上相关的元器件相连。该传感器可用于物体的小倾斜角度的测量，测量时图2中的R4＝R5已固定，当图10中的容器21置于水平面上时，两充放电电容18和19的两金属极板间浸渍的水的高度相等，故两者电容量相等，即是图2中C2＝C3，从OUT1和OUT2输出对称的方波。当如图12所示将容器21置于倾斜的被测物27的表面上时，显然因两充放电电容18和19两金属极板间浸渍的水的高度为一高一低，故C2＞C3，且C2的增加量为C3的减少量，所以从OUT1和OUT2输出的方波频率不变，但C2大，其充放电时间长，它的方波占空比大，而C3较�。姆讲ㄕ伎毡刃�。由占空比的差值反映了电容变化量，亦即反映了被测物27的倾斜角度。与图3至图5实施例同样的道理，也可在容器21两端底侧装设与容器21内部相连通的水路连接管头28。
参见图13至图16及图1。该实施例采用如图2所示的阻容振荡频率发生器。其中充放电电容29和30(即分别是图2中的C2和C3)，都是由两块相隔一定间距且平行放置的金属极板构成，它们固定装设在一盛有水31的容器32中。该容器32做成一空心圆环体状，并与一直角尺33的互相垂直的水平边尺331和垂直边尺332的内壁面固连成一体，两充放电电容29和30各自的两金属极板分别呈半圆弧形状且对称地分装在空心圆环体状容器32内两半边，每个充放电电容29和30的两金属极板间均用绝缘固定件34连接定位并再与容器32壁面相固连，一定深度的水31浸渍在两充放电电容29和30的两金属极板间而形成绝缘介质，图2中电路的其它元器件装在一电路板35上，电路板35装在一电路盒36内且将该电路盒36固定安装在空心圆环体状容器32的中间圆孔内，充放电电容29和30的两金属极板分别通过导线37和38与电路板35上相关的元器件相连。该传感器可用于物体的大倾斜角度的测量，测量时R4＝R5已固定，当图13中直角尺33的水平边尺331置于被测物的水平面上时，两充放电电容29和30的两金属极板间浸渍的水的高度相等，故两者的电容量相等，即是图2中C3＝C4，从OUT1和OUT2输出对称的方波。当如图16所示将直角尺33的水平边尺331置于倾斜的被测物39上时，两充放电电容29和30的两金属极板间浸渍的水的高度为一高一低，其工作原理与上述图10至图12实施例相同。图2中OUT1和OUT2输出方波的占空比的差值反映了电容量的差值，亦即反映了被测物39的倾斜角度。该传感器可测量0-90°范围内较大的倾斜角。
参见图17。上述几个实施例的包括充放电电容在内的阻容振荡频率发生器40所输出的频率信号，都可送给一公知的频率(占空比)/数字转换电路41转换成数字信号，再将此数字信号通过异步通讯RS-232接口42，就可送给电脑(PC机)43对测量结果进行显示、存贮、打印、联网处理或作自动控制等用。
参见图18及图17。有时为了测控一个大范围物面内的倾斜状况，可以采用多个如图3所示的本实用新型传感器44，将其布置在大范围物面内的多个测量点，并将它们的频率信号输出端都与公知的频率(占空比)/数字转换电路41、异步通讯RS-232接口42及电脑(PC机)43相连接，便可达到测量目的。
权利要求1.一种水介质电容/频率变换式多用途传感器，其特征在于，它具有一包括充放电电容在内的阻容振荡频率发生器，其中充放电电容由两块相隔一定间距且平行放置的金属极板构成，充放电电容的两金属极板固定装设在一盛有水的容器内，一定深度的水浸渍在两金属极板之间而形成充放电电容的绝缘介质，阻容振荡频率发生器的其它元器件装设在一电路板上，充放电电容的两金属极板通过导线与电路板上相关的元器件相连。
2.根据权利要求1所述的水介质电容/频率变换式多用途传感器，其特征在于，该阻容振荡频率发生器由充电放电电容C1、电阻R1与R2、非门U1A、U1B、U1C、U1D及电池连接构成，其中C1的一端与U1A的第2脚和U1B的第3脚共连在一起，C1另一端与R1和R2的一端共连在一起，R1的另一端与U1B的第4脚相连，R2的另一端与U1C的第5脚相连，U1A第1脚与U1C第6脚及U1D第9脚共连在一起，U1D第8脚作为频率信号输出端OUT，U1A第14脚和第7脚分别与电池的正极Vcc和负极Vee相接。
3.根据权利要求1所述的水介质电容/频率变换式多用途传感器，其特征在于，该阻容振荡频率发生器由三极管V1与V2、充放电电容C2与C3、电阻R3至R6及电池连接构成，其中V1的集电极与C2和R3的一端连在一起作为频率信号输出端OUT1，V2的集电极与C3和R6的一端连在一起作为频率信号另一输出端OUT2，V1的基极与C3的另一端及R5的一端连在一起，V2的基极与C2的另一端及R4的一端连在一起，R3、R4、R5及R6的另一端连在一起再与电池的正极Vcc相接，V1与V2的发射极共连在一起再与电池的负极Vee相接。
4.根据权利要求2所述的水介质电容/频率变换式多用途传感器，其特征在于，盛水的容器做成一长方形盒状，两金属极板粘接固定在长方形盒状容器内的一端，且两金属极板间用绝缘固定件连接定位，其电路板装在一电路盒内且将该电路盒固定装设在容器的外侧壁面上。
5.根据权利要求4所述的水介质电容/频率变换式多用途传感器，其特征在于，在长方形盒状容器两端底侧装设有与容器内部相连通的水路连接管头。
6.根据权利要求2所述的水介质电容/频率变换式多用途传感器，其特征在于，盛水的容器做成一封闭的圆筒状且其底端开设一进水孔，两金属极板间通过绝缘固定件定位连接并整体卡置在容器内壁面上，其电路板装设在一置于容器外的电路盒内。
7.根据权利要求3所述的水介质电容/频率变换式多用途传感器，其特征在于，盛水的容器做成一长方形盒状，两充放电电容各自的两金属极板分别粘接固定在长方形盒状容器内的两端，且每一端的两金属极板间均用绝缘固定件连接定位，其电路板装在一电路盒内且将该电路盒固定装设在容器的外侧壁面上。
8.根据权利要求7所述的水介质电容/频率变换式多用途传感器，其特征在于，在长方形盒状容器两端底侧装设有与容器内部相连通的水路连接管头。
9.根据权利要求3所述的水介质电容/频率变换式多用途传感器，其特征在于，其盛水的容器做成一空心圆环体状，并与一直角尺的互相垂直的水平边尺和垂直边尺的内壁面固连成一体，两充放电电容各自的两金属极板分别呈半圆弧形状且对称地分装在空心圆环体状容器内两半边，每个充放电电容的两金属极板间均用绝缘固定件连接定位并再与容器壁面相固连，其电路板装在一电路盒内且将该电路盒固定安装在空心圆环体状容器的中间圆孔内。
专利摘要水介质电容/频率变换式多用途传感器具有一包括充放电电容在内的阻容振荡频率发生器，其中充放电电容由两块相隔一定间距且平行放置的金属极板构成，两金属极板固定装设在一盛有水的容器内，一定深度的水浸渍在两金属极板之间而形成充放电电容的绝缘介质，阻容振荡频率发生器的其它元器件装设在一电路板上，两金属极板通过导线与电路板上相关的元器件相连。本实用新型可用于物体的倾斜度或角度或水深度的多种测量，使用时将其与常用的频率(占空比)/数字转换电路、RS－232接口电路及电脑相接，就可将其频率输出信号转换成被测物的倾斜度或角度或水深度的数字信号，并供电脑进行显示、存贮、打印、联网处理和作自动控制之用。其操作使用方便易行。
文档编号G01C9/00GK2650069SQ03248580
公开日2004年10月20日 申请日期2003年8月21日 优先权日2003年8月21日
发明者周连钧, 胡斗南 申请人:周连钧
专业数控铣床产品供应商
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