[发明专利]一种液位分布式倾仰角检测器及检测方法

权利要求书

1.一种液位分布式倾仰角检测方法，其特征在于：使用液位分布式倾仰角检测器，液位分布式倾仰角检测器，包括：控制器(6)和内部中空形成圆柱腔的透明圆柱容器(1)；

圆柱容器(1)内腔装有液体(2)，内壁贴有电连接于控制器(6)的压力传感器(3)，压力传感器(3)在内壁圆周上形成压力传感器环形阵列，压力传感器环形阵列中的同位阵元沿轴向延伸至圆柱容器(1)端面，形成压力传感器轴向阵列；

控制器(6)和压力传感器(3)之间设有信号调理器(4)和模数转换器(5)，控制器(6)输出端设有数据输出模块；每个阵元上压力传感器(3)因受到压力而感应电压，经信号调理器(4)进行放大和滤波处理后，再经模数转换器(5)模数转换后，控制器(6)读取并计算，得到当前的轴向倾角和绕轴仰角，数据输出模块向用户输出测试结果；

所述圆柱容器(1)内腔所装的液体(2)采用熔点低于-50℃、沸点高于+50℃的液类，液体(2)体积为圆柱容器(1)容积的一半，圆柱容器(1)内腔的剩余空间抽成真空或者充入一个大气压的氮气；

所述压力传感器(3)为贴片式扩散硅压力传感器(3)，压力传感器环形阵列及压力传感器轴向阵列中每个阵元呈均匀分布；

所述控制器(6)可采用单片机或ARM处理器；

所述数据输出模块为电连接于控制器(6)的显示器(7)和/或扬声器(8)；

检测方法步骤为：压力传感器(3)根据所在位置液体(2)深度不同而输出不同的感应电压，压力传感器环形阵列的每个阵元输出感应电压至控制器(6)，控制器(6)将每个环形阵列中液体(2)深度最大的压力传感器(3)视为有效阵元，所有的压力传感器(3)有效阵元形成有效压力传感器轴向阵列，有效压力传感器轴向阵列输出的系列感应电压值形成圆柱容器(1)内腔壁最大液压值轴向分布向量，用该向量反映圆柱容器(1)的轴截面液位分布，基于轴截面液位分布得到当前轴向倾角；对压力传感器环形阵列中每个阵元进行标号构成索引号，根据高液位一侧端面上压力传感器环形阵列中有效阵元的索引号，得到当前的绕轴仰角；

所述检测方法具体为：

步骤1：参数初始化

M←Φ，u_thd←μ，k←k′，U←Φ，其中，符号←表示赋值，M表示有效压力传感器轴向阵列索引集，Φ代表空集，u_thd表示电压差门限，μ由生产商预设，μ趋近于零，k表示压力传感器(3)所在位置液体(2)深度与对应检测电压的比值，k′由用户对矩阵U的数据进行定期标定并线性拟合后获取，矩阵U表示圆柱容器(1)内腔壁液压分布所反映的检测电压分布；用U的第n行第k列元素u_n,k表示轴向自左至右第n环形阵列逆时针第k阵元所对应的检测电压，用U的第n行向量u_n,:＝[u_n,1,…u_n,K]反映轴向自左至右第n压力传感器环形阵列所在内腔壁的液压分布，用U的第k列向量u_:,k＝[u_1,k,…u_N,k]^T反映压力传感器(3)各个环形阵列的逆时针第k阵元所形成的轴向阵列所在内腔壁的液压分布，其中，N表示轴向自左向右共N个压力传感器环形阵列，K表示每个压力传感器环形阵列中共K个阵元；

步骤2：采集零液压下的输出电压以赋值调零矩阵

步骤2.1：将圆柱容器(1)平放，即令轴向倾角θ≈0；

步骤2.2：确定有效压力传感器轴向阵列

控制器(6)读取轴向自左至右第n压力传感器环形阵列所在内腔壁的液压分布采用如下公式计算有效压力传感器轴向阵列索引号m：

由此确定有效压力传感器轴向阵列，并构建有效压力传感器轴向阵列检测电压向量u_:,m＝[u_0,m,…u_N-1,m]^T；

步骤2.3：读取与有效压力传感器轴向阵列对称的轴向阵列的检测电压

f(m)←mod(K,m+K/2)，

mod(x,y)表示以x为模对y进行取模，则索引号为f(m)的轴向阵列与索引号为m的轴向阵列关于轴线呈几何对称，

u′_:,f(m)←u_:,f(m)

u′_:,f(m)即与有效压力传感器轴向阵列对称的零液压下的轴向阵列的检测电压，用于后续调零；

步骤2.4：赋值调零矩阵

U′(:,f(m))←u′_:,f(m)，

其中U′为检测电压调零矩阵；

步骤2.5：赋值有效压力传感器轴向阵列索引集：M←M∪{m}；

步骤2.6：若有效压力传感器轴向阵列索引集M未完备则继续使之更完备

若M达到完备，即M＝{1,…K}，则跳转步骤3，否则控制器(6)通过数据输出模块提示用户将圆柱容器(1)绕轴逆时针旋转一个角度，跳转至步骤2.2；

步骤3：测试当前姿态下的轴向倾角θ

若|U_:,m(0)-U′_:,m(0)|u_thd，则采用小轴向倾角计算公式，如下：

θ＝sin^-1(k(|U_:,m(N-1)-U′_:,m(N-1)|-|U_:,m(0)-U′_:,m(0)|)/a₀)其中，sin^-1(·)表示正弦反函数，a₀表示圆柱容器(1)的轴向长度；

否则，采用大轴向倾角计算公式，如下：

θ＝sin^-1(k|U_:,m(N-1)-U′_:,m(N-1)|/((N-n′+1)d))

其中，d表示相邻压力传感器(3)的轴向间距，n′的获取采用如下计算公式：

n′＝min{n||U_:,m(n)-U′_:,m(n)|u_thd,0≤n≤N-1}

步骤4：测试当前姿态下的绕轴仰角采用如下计算公式：