阅读说明：本技术 自抑制干扰的倾斜度传感器 (Self-interference-suppressing inclination sensor ) 是由 胡狄辛 钟星立 于 2020-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种自抑制干扰的倾斜度传感器,包括装配成一体的具有大转动惯量的长重摆锤与小转动惯量的短轻摆,共同浸泡在阻尼液体容器中；利用转动惯量差形成启动时间差,作为干扰抑制部件的轻摆率先响应摆动,摩擦消耗扰动能量于阻尼液体中,作为倾斜度传感器的长重摆锤再迟缓偏转平稳追踪倾斜发生度。(The invention provides a self-interference-suppression inclination sensor, which comprises a long heavy pendulum bob with large moment of inertia and a short light pendulum with small moment of inertia, which are assembled into a whole and are soaked in a damping liquid container together; a starting time difference is formed by utilizing a rotational inertia difference, the light slew rate serving as an interference suppression component firstly responds to swing, disturbance energy is consumed in damping liquid through friction, and a long and heavy pendulum hammer serving as an inclination sensor then deflects slowly and stably tracks the inclination occurrence degree.)

自抑制干扰的倾斜度传感器

技术领域

本发明属于测控技术领域，特别是涉及一种自抑制干扰的倾斜度传感器。

背景技术

在国防建设和民用的许多领域都涉及到倾斜角度的测量，如坦克火控系统、舰载火控系统、车载雷达等，需要对被测量面倾斜角度的绝对测量。

目前，常见的倾斜角传感器有两类：一类是以重力摆锤为基准的摆式倾斜度传感器，如固体摆式倾斜度传感器、液体摆式倾斜度传感器；另一类以自由陀螺，保持自身对称轴在惯性参考系中的方位不变作基准而设计的位置陀螺仪。

上述两类倾斜度传感器，在有干扰的动态情况下使用，通常有以下的缺点：以重力摆锤为基准的倾斜度传感器在动态情况下，由于容易受抖动干扰，导致检测过程精度受损；或者抖动干扰造成重力摆锤来回震荡，无法稳定读数。以自由陀螺保持自身对称轴，在惯性参考系中的方位不变作基准的位置陀螺仪，原理上适用于动态测量倾斜角，但寿命短，在大加速度冲击下易损坏、成本高、使用环境受限制。

固体摆式倾斜度传感器，通常在一个坚固、刚性的支架，中间悬挂一个重力摆锤。

由于重力摆锤受到地球重力作用，始终保持竖直方向，指向地心。当摆锤支架整体，向某一个方向倾斜一个角度时，摆锤支架随即会产生一定偏斜量，而摆锤受重力作用，仍然保持竖直方向，此时摆锤与支架的相对位置，必然发生变化。通过检测偏移位置变化量，进而换算成倾斜角度值。

随着运动设备的技术进步，如地下挖掘盾构机、高速度钻孔等需求，倾斜角度测量作为主要监控的场合逐渐增多，其重力摆锤为基准的摆式倾斜角传感器的应用越来越广泛，并且要求高精度、数字化和快速响应，但易受抖动干扰的缺点也愈显突出。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自抑制干扰的倾斜度传感器，用于解决现有技术中易受抖动干扰的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种自抑制干扰的倾斜度传感器，包括装配成一体的具有大转动惯量的长重摆锤与小转动惯量的短轻摆，共同浸泡在阻尼液体容器中；利用转动惯量差形成启动时间差，作为干扰抑制部件的轻摆率先响应摆动，摩擦消耗扰动能量于阻尼液体中，作为倾斜度传感器的长重摆锤再迟缓偏转平稳追踪倾斜发生度。

可选的，小转动惯量的短轻摆安装在大转动惯量的长重摆锤上，各自能自由摆动、偏转，短轻摆能够削减作用在长重摆锤上的谐振干扰。

可选的，具有大转动惯量的长重摆锤呈锚形状厚块体型，重心位于锚形状厚块体型中心线上，呈均匀或非均匀质量对称分布，长重摆锤的转动半径比小转动惯量的短轻摆的转动半径长，从形状上获得加大的倾斜旋转力矩，并具备转动惯量大，启动迟缓的特征。

可选的，小转动惯量的短轻摆，呈扇状薄片型，重心位于扇状薄片型中心线上，呈均匀或非均匀质量对称分布，从形状上获得加大的表面积，且具备转动惯量小，启动敏捷的特征。

可选的，大转动惯量的长重摆锤的材料比重大于小转动惯量的短轻摆的材料比重，大转动惯量的长重摆锤的体积大于小转动惯量的短轻摆的体积，大转动惯量的长重摆锤的质量大于小转动惯量的短轻摆的质量。

可选的，所述阻尼液体的比重小于小转动惯量的短轻摆的材料比重。

可选的，所述阻尼液体容器，能够将装配成一体的长重摆锤与短轻摆、以及阻尼液体集合在外防护容器壳体内，封装成抑制干扰的倾斜度传感器。

可选的，小转动惯量的短轻摆在大转动惯量的长重摆锤上配置数量至少一个。

可选的，小转动惯量的短轻摆上设有增阻结构。

可选的，增阻结构包括开槽、镂空或凹凸刻蚀。

如上所述，本发明的自抑制干扰的倾斜度传感器，至少具有以下有益效果：

从时间上看，短轻摆，作为干扰抑制部件，且具有优先启动的特征，有利于提前消耗干扰能量于敏捷阻尼摆动过程中，削减重摆锤的晃动量，实现倾斜度平稳检测。

从功能上看，重摆锤为锚形，作为倾斜度传感器，从形状上获得加大的倾斜旋转力矩，有利于待干扰抑制后，再迟缓启动，后程发力，实现倾斜度快速响应。

从优化上看，一种自抑制干扰的倾斜度传感器，提供了调控匹配可选项参数，如选配阻尼液体的比重和阻尼系数，重摆锤大小、厚度，短轻摆表面粗糙度、共振频率等，有利于抑制特定的杂乱抖动干扰频率，当装配多个短轻摆时，抑制干扰频率范围更宽。

附图说明

图1为球形摆锤旋转力矩分析图。

图2为锚形重摆锤旋转力矩分析图。

图3为倾斜角度与获得旋转力矩对比示意图。

图4为装配有扇状短轻摆的锚形重摆锤示意图。

图5为浸泡在阻尼液体中抑制干扰的倾斜度传感器示意图。

图6为削减锚形重摆锤晃动量示意图。

图7为装配有扇状短轻摆的锚形重摆锤示意图的实施方式二的示意图。

图8为装配有扇状短轻摆的锚形重摆锤示意图的实施方式三的示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图8。须知，本说明书附图所示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以下各个实施例仅是为了举例说明。各个实施例之间，可以进行组合，其不仅仅限于以下单个实施例展现的内容。

请参阅图5，本发明提供一种自抑制干扰的倾斜度传感器，包括：阻尼液体1、长重摆锤2和至少一个短轻摆3，所述阻尼液体1封装在防护壳4内；所述重摆置于所述阻尼液体1中，所述长重摆锤2能够左右摆动；各个所述短轻摆3均置于所述阻尼液体1中，所述短轻摆3安装在所述长重摆锤2上(比如图5)，所述长重摆锤2的转动惯量大于所述短轻摆3的转动惯量。从时间上看，短轻摆3，作为干扰抑制部件，且具有优先启动的特征，有利于提前消耗干扰能量于敏捷阻尼摆动过程中，削减长重摆锤2的晃动量，实现倾斜度平稳检测。从功能上看，长重摆锤2为锚形，作为倾斜度传感器，从形状上获得加大的倾斜旋转力矩，有利于待干扰抑制后，再迟缓启动，后程发力，实现倾斜度快速响应。从优化上看，一种自抑制干扰的倾斜度传感器，提供了调控匹配可选项参数，如选配阻尼液体1的比重和阻尼系数，长重摆锤2大小、厚度，短轻摆3表面粗糙度、共振频率等，有利于抑制特定的杂乱抖动干扰频率，当装配多个扇状短轻摆3时，抑制干扰频率范围更宽。

为了达到更好的抑制干扰，本实施例中，请参阅图5，可选的，所述长重摆锤2的材料比重大于所述短轻摆3的材料比重。可选的，所述长重摆锤2的转动力臂大于所述短轻摆3的转动力臂。可选的，所述长重摆锤2的厚块体型结构，所述短轻摆3为薄块体型结构。可选的，所述长重摆锤2包括垂向转动轴21和中间连接件22和弧度摆锤23，所述中间连接件22上端通过垂向转动轴21安装在防护壳4上，所述弧度摆锤23固定在所述中间连接件22的另一端。可选的，所述弧度摆锤23和所述连接杆末端的转动轨迹重合。可选的，短轻摆3为扇形。可选的，所述短轻摆3上设有增阻结构。增阻结构具体可以包括开槽、镂空或凹凸刻蚀。中间连接件22可以是硬质杆结构，也可以是软绳结构。

本实施例中，还包括：信号检测组件，所述信号检测组件用于检测所述长重摆锤2的摆动角度。在图5中画出的指针只是作为示意，并不代表传感器中一定要实用指针结构，

本实施例中，请参阅图7和图8，短轻摆3有多个，短轻摆3安装位置作对称布置。

本实施例中，长重摆锤的转动半径比小转动惯量的短轻摆的转动半径长，从形状上获得加大的倾斜旋转力矩，并具备转动惯量大，启动迟缓的特征。

为了更清楚理解，进一步进行如下阐述：

现有的大部分重力摆锤，其工作原理是，一根中间联线下挂接一个重锤，上吊连在刚性支架上，重锤下面放一张坐标纸，重锤重心平常指向坐标中心零点，一旦倾斜后，发生了偏转，重心所指向坐标纸的位置，通过换算后就能输出倾斜的角度值。

其中，现有的重力摆锤的形状，有针形、球形等多种不限。

如图1，球形摆锤旋转力矩分析图所示，为了简化描述，以吊连接线+球形摆锤为例，假设吊线固定长度R、球形摆锤质量为100当量。当球形摆锤的重心，指向地心时，即重心与地心方向重合，沿运动圆轨迹的倾斜旋转力矩，此时为零。

如果发生倾斜15°后，球形摆锤，沿圆切向分力为：100*sin15＝25.88当量，此时沿圆轨迹的倾斜引起的顺时针倾斜旋转力矩，即为25.88R。

如图2，锚形长重摆锤2旋转力矩分析图所示，进一步假设，同时配置三个硬吊线+球形摆锤，相互间固定夹角60°，每球还是硬吊线长度R、质量为100当量；如果仍然发生倾斜15°后，三个球形摆锤分别：圆切向分力为①逆时针-100*sin45＝-70.71，②顺时针100*sin15＝25.88，③顺时针100*sin75＝96.59，此时沿圆轨迹的倾斜引起的倾斜旋转力矩，合计得到(-70.71+25.88+95.59)R＝51.76R，相比单球正好提升了1倍。

按公式，倾斜旋转力矩＝沿圆切向分力*摆动力臂长度，表明摆锤越重，其沿圆切向分力越大，以及摆动力臂越长，最终倾斜引起的旋转回位力矩就越大；将有利于倾斜摆锤快速地旋转、精确响应。

但是，受倾斜度传感器外形尺寸限制，摆动力臂长度R通常不能无限扩大；由此，有限空间内，期望得到较大的倾斜旋转力矩，优选方向必须满足摆锤自身重量足够大，且摆锤沿圆轨迹的并排数量足够多，这两个前提条件。

要求摆锤选用大比重材料制作的同时，沿圆轨迹并排摆放置，多个球形锤，串联或重新融合在一起后，形成锚形长重摆锤2，以此提升倾斜旋转力矩效果是一种较佳的组合方式。

锚形长重摆锤2，作为倾斜度传感器，选用大比重材料制作，锚形状厚块体型，重心位于锚形状厚块体型中心线上，呈均匀或非均匀质量对称分布，相对于针形、球形重锤而言，从形状上获得加大的倾斜旋转力矩，并具有自身质量大、转动惯量大，启动迟缓的特征；上端连接垂向转动轴21，中间连接件22，连接沿轴转动圆轨迹上的弧度摆锤23。

如图3，倾斜角度与获得旋转力矩对比示意图所示，参照上述假设，锚形长重摆锤2，在相同的倾斜角度时，相比单球形摆锤，其自生倾斜旋转力矩量，显然要大得多。

倾斜度传感器，检测运动设备姿态时，要求在动态中，完成角度检测；存在所检测设备倾斜角度持续变化过程中，往往伴存杂乱抖动干扰，导致角度检测输出值波动较大。

即追随设备有效角度变化的同时，叠加杂乱抖动无序干扰，共同构成传感器倾斜输出；其两者根本无法区分开来，这是不愿看到的。所以，将杂乱抖动干扰与持续的倾斜检测过程，拆分成高频率、往复的抖动归类于干扰频段，把相对缓慢的运动角度变化视为倾斜频段，分别配置两个轻、长重摆锤2来分开响应、偏转。

做法，如图4，装配有扇状短轻摆3的锚形长重摆锤2示意图所示，前述锚形长重摆锤2，作为倾斜度传感器，具有迟缓启动，后程发力的特征，进行反向性能迁移。摆锤越轻，力臂越短，倾斜引起的旋转力矩就越小；理解成敏捷启动后则慢速晃动。

形成扇状短轻摆3，作为干扰抑制部件，选用小比重材料制作，扇形状薄块体型，重心位于扇形状薄块体型中心线上，表面粗糙呈均匀或非均匀质量对称分布，相对于针形、球形重锤而言，从形状上获得加大的表面积，且具有自身质量小、转动惯量小，启动敏捷的特征；上端连接垂向转动轴21，沿轴转动圆轨迹上由两条半径线所围成的弧度摆锤23。

如图5，浸泡在阻尼液体1中抑制干扰的倾斜度传感器示意图所示，将扇状短轻摆3，装配在锚形长重摆锤2上，各自能自由摆动，共同浸泡在选配的阻尼液体1当中，以提供偏转摆动阻尼。

首先选配阻尼液体1的比重，浸泡产生的浮升力，尽可能地小，不能将锚形长重摆锤2和扇状短轻摆3，重量过于减扣，使得摆锤越重沿圆切向分力变小，引起旋转力矩过小；

其次优化阻尼液体1的阻尼系数，既要锚形长重摆锤2偏转摩擦阻力小，满足倾斜度快速追踪要求；又要扇状短轻摆3耗能多，抑制干扰能力强，尽量实现平稳检测；阻尼液体1特性，需要兼顾多方面需求。

众所周知，浸泡在液体中的物体，受到向上的浮升力大小，取决于物体排开液体重量，锚形长重摆锤2与扇状短轻摆3体积一定时，排开单位液体的重量，由液体比重决定。因此采用轻质液体，可以从各类油品中选取、或配比。

杂乱抖动干扰强度大，频率带宽复杂时，其扇状短轻摆3数量最少一个，允许配置多个，借助频谱分析手段，有针对性地抑制特定的杂乱抖动干扰。

扇状短轻摆3，还可以如开槽、镂空、凹凸刻蚀等处理手段，增加表面粗糙度，来提高阻尼运动摩擦力。

如图6，削减锚形长重摆锤2晃动量示意图所示，在杂乱抖动干扰工作环境，锚形长重摆锤2与扇状短轻摆3，存在启动时间差，导致敏捷的扇状短轻摆3，率先响应高频往复扰动发生晃动，借助加大的表面积，提前消耗抖动能量于阻尼轻摆过程中，整体削减抖动引起的干扰量后，迟缓启动的锚形长重摆锤2，在加大旋转力矩驱使下，又能后程发力，实现倾斜度轨迹快速追踪和平稳检测输出。

关键在于营造轻、长重摆锤2启动时间差，扇状短轻摆3运动阻尼消耗抖动干扰量在前，锚形长重摆锤2再追踪倾斜度轨迹于后，相当于，预处理先滤掉高频杂波，去伪存真再绘制低频且较平缓的波形图。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。