專(zhuān)利名稱(chēng)：連續(xù)監(jiān)視傾斜傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傾角或斜度測(cè)量，更具體地說(shuō)，涉及連續(xù)監(jiān)視部分填充一個(gè)封閉空間的酒精介質(zhì)的角位置的變化。
酒精水準(zhǔn)儀是一種熟悉的儀器，其中在部分填充有液體的彎曲玻璃管內(nèi)的氣泡的位置指示該儀器是否水平。這種原理已經(jīng)產(chǎn)生多種不同的實(shí)施例，如在Scopacasa的美國(guó)專(zhuān)利No.3,786,472中公開(kāi)的一種。這里，使用一個(gè)半填充有水銀的環(huán)形腔室。電極對(duì)繞腔室的邊緣隔開(kāi)。當(dāng)腔室傾斜時(shí)在水銀與不同定位的電極之間的接觸對(duì)應(yīng)于預(yù)定的位移角。Cantarella的專(zhuān)利4,167,818和Kent的專(zhuān)利4672753都采用當(dāng)殼體傾斜時(shí)可變浸泡在一種導(dǎo)電液體中的弓形電阻元件。Cantarella的專(zhuān)利把直流或交流電位施加在電阻扇區(qū)之間，并且使用一個(gè)連接到圓形環(huán)上的橋，該圓形環(huán)總是與液體接觸，以當(dāng)殼體傾斜時(shí)測(cè)量由濕潤(rùn)扇區(qū)不同部分的液體引起的電阻變化。Beitzer的專(zhuān)利4536967繞玻璃管及電極的準(zhǔn)確空隙和對(duì)稱(chēng)提供一個(gè)熱分路，以使流體溫度變化對(duì)其電阻率的影響最小。
Donati專(zhuān)利4937518使用亞甲基二甘醇，作為一種部分填充在一個(gè)形成在兩塊隔開(kāi)陶瓷板之間的腔室的導(dǎo)電液體。每塊板載有半圓段形狀的一對(duì)刻印鈀電極，布置成使其相應(yīng)索邊緣彼此面對(duì)著并且其彎曲邊緣位于相同的想象圓周上。液體在電極之間形成按照液體位置變化的電阻性電氣連接。
與采用流體電解質(zhì)的上述器件有關(guān)的問(wèn)題在于，這些器件往往具有漏電流和電鍍其檢測(cè)元件的缺點(diǎn)。因?yàn)殡娊赓|(zhì)的表面吸收，漏電流在某些實(shí)施例中是可能的。漏電流引起非線(xiàn)性，特別是在大傾斜角度下。在為了測(cè)量由檢測(cè)元件相對(duì)于液體的運(yùn)動(dòng)引起的電阻變化必需的激勵(lì)交流電壓的非對(duì)稱(chēng)性，可能引起檢測(cè)元件的電鍍，如可能偶然暴露于直流電壓。檢測(cè)元件相對(duì)時(shí)間的電鍍把電池效應(yīng)帶入傾斜傳感器中，并且使角度測(cè)量和比例因數(shù)的線(xiàn)性變壞，這種變壞在某些情況下即使在非常短的操作時(shí)段之后也能很顯著。
某些先有技術(shù)器件一直采用彎曲玻璃管，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜角變化的線(xiàn)性響應(yīng)。這樣的器件必須小心地構(gòu)造以提供形成一個(gè)完整圓的諸部分的弓形扇區(qū)，并因此成本很高。把水銀用作導(dǎo)電液體的這些器件因?yàn)樗y反常滾動(dòng)的趨勢(shì)往往對(duì)角轉(zhuǎn)動(dòng)的小變化不敏感，并且也具有水銀的高蒸汽壓力污染效應(yīng)的缺點(diǎn)。另一方面，在陶瓷而不是玻璃結(jié)構(gòu)中采用常規(guī)電解質(zhì)的這些器件，除電池效應(yīng)之外，還具有多孔陶瓷表面表面吸收電解質(zhì)的缺點(diǎn)，這種表面吸收產(chǎn)生使線(xiàn)性變壞的表面漏電流。
這些先有技術(shù)器件的問(wèn)題按照本發(fā)明的原理在一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例中得以減輕，其中把一個(gè)弓形電阻傳感器元件刻印在形成一個(gè)陶瓷本體的一個(gè)壁的一個(gè)陶瓷基片上，在該陶瓷本體中密封一種電解質(zhì)，便利的是溶解在甲醇、水和丁醇混合物中的硝酸銀。為了避免電鍍效應(yīng)，把一個(gè)交流激勵(lì)電壓施加在傳感器元件的末端之間，該傳感器元件由其電阻遠(yuǎn)小于傳感器元件的內(nèi)阻的一個(gè)放電電阻器橋接，以便經(jīng)一條外部路徑而不是經(jīng)內(nèi)部電解質(zhì)放電由電壓源的非對(duì)稱(chēng)引起的任何極化。從總是浸泡在電解質(zhì)中的傳感器元件的中點(diǎn)得到一個(gè)信號(hào)輸出，從而使任何漏電流的影響最小。用一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的輸出相對(duì)于傾角變化的線(xiàn)性已經(jīng)測(cè)得在傾角在-50到+50的范圍內(nèi)好于99.9％，比得上其線(xiàn)性比99％差的市場(chǎng)上買(mǎi)得到的器件。
當(dāng)與附圖一起閱讀如下描述時(shí)，可以使本發(fā)明的上述和其他特征變得更明白，在附圖中

圖1表示本發(fā)明一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例的示意圖；圖2表示圖1實(shí)施例的側(cè)剖視圖；圖3是用于圖1的實(shí)施例的一個(gè)示范容器的等軸測(cè)圖；圖4是形成圖3的容器蓋的基片的等軸測(cè)圖，該蓋在其上刻印一個(gè)厚膜電阻傳感器元件和電極；圖5表示經(jīng)受傾角α的圖1的實(shí)施例；
圖6是帶有一個(gè)刻印電阻元件和適用于測(cè)量小傾角的電極的可選擇參照?qǐng)D8，表示有一種典型先有技術(shù)的傾角測(cè)量器件，該器件采用一個(gè)環(huán)形電極89，如在上述Cantarella的專(zhuān)利4,167,818或Kent的專(zhuān)利4,672,753中表示的那樣。盡管當(dāng)該設(shè)備傾斜時(shí)因?yàn)樗囊徊糠挚偸墙菰陔娊赓|(zhì)中，所以電極89保持與電解質(zhì)的連續(xù)接觸，但當(dāng)把激勵(lì)電壓施加在一個(gè)弓形電阻性元件88的末端處的終端80與81之間時(shí)，這種構(gòu)造不會(huì)使漏電流的影響最小。當(dāng)設(shè)備傾斜時(shí)，液體電解質(zhì)通過(guò)直接接觸或蒸發(fā)濕潤(rùn)弓形元件88的和殼體內(nèi)部表面的不同部分。不幸地是，在微米范圍內(nèi)的表面孔隙度足以引起電解質(zhì)的吸收，引起分別從電阻性元件88的未濕潤(rùn)部分88a和88b至環(huán)形電極89的漏電流iL1和iL2。液體液面85越靠近終端之一，來(lái)自靠近該終端的電阻性元件88的未濕潤(rùn)部分的表面漏電流越大，而來(lái)自電阻性元件88的另一個(gè)未濕潤(rùn)部分的漏電流越小。結(jié)果，表面漏電流引起關(guān)于傾角的電阻變化測(cè)量的非線(xiàn)性。并且盡管交流激勵(lì)電壓的使用減小直流激勵(lì)電壓會(huì)具有的極化效應(yīng)，但大多數(shù)交流電源在正弦波的正與負(fù)半波之間顯示某些非對(duì)稱(chēng)性。這種非對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致凈電荷將剩余在檢測(cè)元件的末端之間的可能性，特別是在激勵(lì)電壓已經(jīng)施加較長(zhǎng)時(shí)間之后，由此使檢測(cè)元件用來(lái)自電解質(zhì)的離子電鍍。鍍出的離子產(chǎn)生極化，即附加電壓，這隨在正在施加激勵(lì)交流電壓時(shí)的時(shí)間變化。結(jié)果，來(lái)自終端82的輸出信號(hào)是一個(gè)包括傾斜信號(hào)和時(shí)間依賴(lài)極化的電壓。這種極化，稱(chēng)作電池效應(yīng)，使測(cè)量的線(xiàn)性和比例因數(shù)變壞。
描繪在圖1中的設(shè)備打算減輕或消除由漏電流和由電壓源非對(duì)稱(chēng)性產(chǎn)生的電鍍引起的先有技術(shù)問(wèn)題。圖1示意表明一種傾角指示設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)用來(lái)限定一個(gè)用來(lái)盛放一種電解質(zhì)流體12的圓柱形空腔11的容器10(見(jiàn)圖2和3)。電解質(zhì)流體12可以是例如溶解在甲醇、水和丁醇混合物中的1％硝酸銀。容器的圓柱形空腔11可以便利地形成為在諸如氧化鋁10之類(lèi)的致密(即低孔隙度)、穩(wěn)定、非導(dǎo)電材料中的一個(gè)適當(dāng)深度的接收器，見(jiàn)圖3，這種材料相對(duì)于電解質(zhì)流體12是惰性的。空腔11的打開(kāi)端用一個(gè)平蓋13密封以防電解質(zhì)12的泄漏，見(jiàn)圖2和4?？涨?1的直徑最好遠(yuǎn)大于空腔的深度，從而傳感器對(duì)于不垂直于蓋13的平面的一個(gè)軸上的傾斜不敏感。電解質(zhì)流體12通過(guò)以后便利地用一種化學(xué)穩(wěn)定環(huán)氧樹(shù)脂密封的孔25注入。
便利地也可以是陶瓷的蓋13提供一個(gè)基片，在該基片上刻印一個(gè)一般圓形的、厚膜、電阻性檢測(cè)元件15。也刻印在蓋13上的是電極16、17和19，電極16、17和19與電阻性元件15的右端、左端和中點(diǎn)接觸。導(dǎo)體20、21和22經(jīng)塊10中的可密封凹口22、23和24引出，以分別提供外部電路對(duì)電極16、17和19的電氣連接。一般在比燒制銀電極16、17和19并所以一般首先完成的溫度高得多的溫度下，進(jìn)行在把厚膜電阻器元件15刻印在一個(gè)陶瓷基片13上之后的繞結(jié)。另一方面如果使用更高溫度的金或鉑電極，則可能希望的是在電阻性元件15之前刻印和燒制電極。電阻性元件15貫穿其中傳感器操作和具有適當(dāng)電阻率的范圍應(yīng)該是均勻、致密、化學(xué)穩(wěn)定的，它提供與流體13盡可能低的接觸電阻。在元件15與流體12之間的接觸電阻可以通過(guò)把厚膜電阻器15中摻雜少量金屬而改進(jìn)，該金屬是與在電解質(zhì)流體12中的電荷載流子(正離子)相同的元素。便利地是，在一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例中，如此摻雜近似3％的銀。然而，厚膜電阻器15的這種摻雜顯著減小其電阻率，并因此折衷是必需的。在任何情況下，高于流體12的液位的厚膜15a、15b的部分的電阻率應(yīng)該遠(yuǎn)高于流體的。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，電阻器15的直徑越大，傳感器將越準(zhǔn)確。
圖9對(duì)比帶有和不帶有放電電阻器的輸出的穩(wěn)定性。當(dāng)不使用放電電阻器時(shí)，輸出有穩(wěn)定的下降，而當(dāng)使用放電電阻器時(shí)，顯著消除極化影響，并且輸出在零狀態(tài)下保持恒定。
流體12部分填充圓柱空腔11至想象“赤道”線(xiàn)12a，由此把電阻性元件15劃分成不浸泡在流體12中的部分15a和15b。圖5表示圖1的設(shè)備轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)傾角α，這使“干燥部分15a’和15b’，即元件15高于流體12的液位的部分，的弧長(zhǎng)與圖1中描繪的干燥弧長(zhǎng)不同。相對(duì)弧長(zhǎng)從15a至15a’和從15b至15b’的變化測(cè)量?jī)A角α。設(shè)備的最大操作傾角范圍取決于在想象“赤道”12a與終端19之間的弧長(zhǎng)或在線(xiàn)12與終端16或終端17之間的弧長(zhǎng)的最短一個(gè)。
更具體地說(shuō)，只要流體12的電阻遠(yuǎn)低于電阻性元件15a和15b的電阻，流體12就好象電位計(jì)的游標(biāo)臂。因而，對(duì)于施加到在終端16處的交變電壓Vac，見(jiàn)圖1，在終端Vsig處出現(xiàn)的輸出信號(hào)由下式給出Vsig=VacZBZA+ZB---(1)]]>其中Vac是激勵(lì)交流電壓，ZB是由下式給出的環(huán)形電阻器15b的阻抗ZB=ZB0+kα,---(2)]]>并且ZA是由下式給出的環(huán)形電阻器15a的阻抗ZA=ZA0-kα,---(3)]]>其中ZB0和ZA0分別是在零傾角下(α＝0)環(huán)形電阻器15b和15a的阻抗；k是在一定溫度下的常數(shù)，及α是傾角。結(jié)果，來(lái)自傳感器的信號(hào)是Vsig=Vac(ZB0+kα)ZA0+ZB0.---(4)]]>放電電阻器30放電由引起把來(lái)自電解質(zhì)的離子鍍出到電極上的激勵(lì)電壓的非對(duì)稱(chēng)性引起的任何極化(“電池效應(yīng)”)電壓。由放電電阻器30提供的放電路徑是一條代替由電解質(zhì)提供的內(nèi)部路徑的外部路徑。當(dāng)放電電阻器30不存在時(shí)，用于極化電極的唯一放電路徑是由電解質(zhì)本身在內(nèi)部提供的路徑，并且這種極化不僅改變輸出電壓，而且也可能?chē)?yán)重?fù)p壞傳感器。
已經(jīng)描述的認(rèn)為是本發(fā)明原理的說(shuō)明。應(yīng)該注意，代之以硝酸銀，可以采用碘化鉀(KI)和其他電解質(zhì)。另外，特別便利也可能是，把一些與在電解質(zhì)的金屬正離子中采用的相同金屬粉未“摻雜”到厚膜電阻器中。由熟悉本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員可以進(jìn)行進(jìn)一步的和其他的改進(jìn)，但不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種與可能具有一個(gè)非對(duì)稱(chēng)波形的激勵(lì)電壓源使用的傾斜傳感器， 包括a.一個(gè)低孔隙度陶瓷本體，限定一個(gè)部分填充有一定量的導(dǎo)電液體的密閉腔室，所述本體帶有至少一個(gè)平壁；b.一個(gè)弓形電阻性元件，布置在所述壁上，所述元件在其每端處帶有電極和在其中點(diǎn)處帶有一根電極，所述第三電極和所述電阻性元件的一部分浸泡在所述流體中；所述末端電極適于連接到所述交變電流源上；及c.一個(gè)放電電阻器，連接在所述末端電極之間，所述放電電阻器具有比所述弓形元件的電阻低的電阻以防止所述元件由所述電解質(zhì)極化，由此在所述第三電極與所述末端電極之一之間的可觀(guān)察電阻的變化對(duì)于所述陶瓷本體轉(zhuǎn)動(dòng)的角度線(xiàn)性地變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣傾斜傳感器，其中所述弓形電阻性元件的一個(gè)主要部分是一個(gè)圓的一個(gè)扇區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電氣傾斜傳感器，其中所述弓形電阻性元件是一層厚膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電氣傾斜傳感器，其中所述厚膜刻印在所述陶瓷本體的一個(gè)壁上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電氣傾斜傳感器，其中所述導(dǎo)電液體是溶解在甲醇和丁醇混合物中的硝酸銀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣傾斜傳感器，其中所述放電電阻器具有低于所述電阻性元件未浸泡在所述液體中的部分的電阻。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電氣傾斜傳感器，其中所述放電電阻器具有高于激勵(lì)電壓源的輸出電阻的電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣傾斜傳感器，其中所述導(dǎo)電液體是一種具有金屬正離子的電解質(zhì)，并且其中所述弓形電阻性元件包括與包含在所述電解質(zhì)中的相同的金屬正離子的摻雜。
9.在采用至少部分浸泡在流體電解質(zhì)中的電極的一種電氣傾斜傳感器中，當(dāng)傾斜時(shí)移動(dòng)一個(gè)捕獲氣泡，該組合包括一個(gè)連接在未浸泡在所述電解質(zhì)中的所述電極的末端之間的放電電阻器，所述放電電阻器具有比所述電解質(zhì)的電阻低的電阻，并且適于補(bǔ)償通過(guò)從所述電解質(zhì)鍍出離子引起的電池效應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的組合，其中所述放電電阻器的電阻低于所述電極浸泡在所述電解質(zhì)中的部分的電阻。
全文摘要
一個(gè)弓形電阻性傳感器元件刻印在形成一個(gè)陶瓷本體的一個(gè)壁的陶瓷基片(13)上,在該陶瓷本體中密封一種電解質(zhì)(12),便利地是溶解在在甲醇、水和丁醇混合物中的硝酸銀。為了避免電鍍效應(yīng),把一個(gè)交流激勵(lì)電壓施加在傳感器元件的末端之間,該傳感器元件由其電阻遠(yuǎn)小于傳感器元件的內(nèi)阻的一個(gè)放電電阻器(30)橋接,以便消散由電壓源的非對(duì)稱(chēng)引起的任何極化。從總是浸泡在電解質(zhì)中的傳感器元件(19)的中點(diǎn)得到一個(gè)信號(hào)輸出,從而使任何漏電流的影響最小。用一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的輸出相對(duì)于傾角變化的線(xiàn)性已經(jīng)測(cè)得在傾角在－50到+50的范圍內(nèi)好于99.9%。
文檔編號(hào)G01C9/00GK1335928SQ00802535
公開(kāi)日2002年2月13日 申請(qǐng)日期2000年9月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月3日
發(fā)明者蔣曙生 申請(qǐng)人:內(nèi)諾特魯恩公司