傾角傳感器

傾角傳感器的寫法

傾角傳感器介紹

傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測(cè)量，從工作原理上可分為“固體擺”式、“液體擺”式、“氣體擺”三種傾角傳感器，傾角傳感器還可以用來(lái)測(cè)量相對(duì)于水平面的傾角變化量。

原理

傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測(cè)量，從工作原理上可分為“固體擺”式、“液體擺”式、“氣體擺”三種傾角傳感器，下面就它們的工作原理進(jìn)行介紹。

1、“固體擺”式慣性器件

固體擺在設(shè)計(jì)中廣泛采用力平衡式伺服系統(tǒng)，如圖1所示，其由擺錘、擺線、支架組成，擺錘受重力G和擺拉力T的作用，其合外力F為：（1）

其中，θ為擺線與垂直方向的夾角。在小角度范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，可以認(rèn)為F與θ成線性關(guān)系。如應(yīng)變式傾角傳感器就基于此原理。

2、“液體擺”式慣性器件

液體擺的結(jié)構(gòu)原理是在玻璃殼體內(nèi)裝有導(dǎo)電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距相等，如圖2所示。當(dāng)殼體水平時(shí)，電極插入導(dǎo)電液的深度相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時(shí)，電極之間會(huì)形成離子電流，兩根電極之間的液體相當(dāng)于兩個(gè)電阻RI和RIII。若液體擺水平時(shí)，則RI＝RIII。當(dāng)玻璃殼體傾斜時(shí)，電極間的導(dǎo)電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。如圖3所示，左邊電極浸入深度小，則導(dǎo)電液減少，導(dǎo)電的離子數(shù)減少，電阻RI增大，相對(duì)極則導(dǎo)電液增加，導(dǎo)電的離子數(shù)增加，而使電阻RIII減少，即RI＞RIII。反之，若傾斜方向相反，則RI＜RIII。

在液體擺的應(yīng)用中也有根據(jù)液體位置變化引起應(yīng)變片的變化，從而引起輸出電信號(hào)變化而感知傾角的變化。在實(shí)用中除此類型外，還有在電解質(zhì)溶液中留下一氣泡，當(dāng)裝置傾斜時(shí)氣泡會(huì)運(yùn)動(dòng)使電容發(fā)生變化而感應(yīng)出傾角的“液體擺”。

3、“氣體擺”式慣性器件

氣體在受熱時(shí)受到浮升力的作用，如同固體擺和液體擺也具有的敏感質(zhì)量一樣，熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向上，因此也具有擺的特性。“氣體擺”式慣性元件由密閉腔體、氣體和熱線組成。當(dāng)腔體所在平面相對(duì)水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時(shí)，熱線的阻值發(fā)生變化，并且熱線阻值的變化是角度q或加速度的函數(shù)，因而也具有擺的效應(yīng)。其中熱線阻值的變化是氣體與熱線之間的能量交換引起的。

“氣體擺”式慣性器件的敏感機(jī)理基于密閉腔體中的能量傳遞，在密閉腔體中有氣體和熱線，熱線是的熱源。當(dāng)裝置通電時(shí)，對(duì)氣體加熱。在熱線能量交換中對(duì)流是主要形式。

對(duì)流傳熱的方程為：（2）

其中：h—熱量傳遞系數(shù)（w/m2×k），s—熱線表面積(m2)，TH—熱線溫度（K），TA—?dú)怏w溫度（K）。

熱量傳遞系數(shù)h與流體的熱傳導(dǎo)率、動(dòng)力學(xué)粘度、流體速度和熱線直徑有關(guān)，表示為：（3）

其中：Nu為—努塞爾（Nusselt）數(shù)，l—熱傳導(dǎo)率（W/mK），Re—雷諾（Reynold）數(shù)，U—流體速度（m2/s）,D—熱線的直徑（m）,n—流體的動(dòng)力學(xué)粘度。

當(dāng)氣流以速度U垂直穿過(guò)熱線時(shí)，（4）

將（4）式代入（3）式得：（5）

根據(jù)熱平衡方程可得：

所以：（6）

假設(shè)和s為常數(shù)，則有：（7）

從式（7）可以看出，當(dāng)流體的動(dòng)力學(xué)粘度、密度和熱傳導(dǎo)特性一定時(shí)，若熱線周圍流體的速度不同，則流過(guò)熱線的電流也不同，從而引起熱線兩端的電壓也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。氣體擺式慣性器件就是根據(jù)一原理研制的。

氣體擺式檢測(cè)器件的核心敏感元件為熱線。電流流過(guò)熱線，熱線產(chǎn)生熱量，使熱線保持一定的溫度。熱線的溫度高于它周圍氣體的溫度，動(dòng)能增加，所以氣體向上流動(dòng)。在平衡狀態(tài)時(shí)，如圖4(a)所示，熱線處于同一水平面上，上升氣流穿過(guò)它們的速度相同，即V1＝V1′，這時(shí)，氣流對(duì)熱線的影響相同，由式（7）可知，流過(guò)熱線的電流也相同，電橋平衡。當(dāng)密閉腔體傾斜時(shí)，熱線相對(duì)水平面的高度發(fā)生了變化，如圖4(b)所示，因?yàn)槊荛]腔體中氣體的流動(dòng)是連續(xù)的，所以熱氣流在向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，依次經(jīng)過(guò)下部和上部的熱線。若忽略氣體上升過(guò)程中克服重力的能量損失，則穿過(guò)上部熱線的氣流已經(jīng)與下部熱線的產(chǎn)生熱交換，使穿過(guò)兩根熱線時(shí)的氣流速度不同，這時(shí)V2¢＞V2，因此流過(guò)兩根熱線的電流也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，所以電橋失去平衡，輸出一個(gè)電信號(hào)。傾斜角度不同，輸出的電信號(hào)也不同。

特點(diǎn)

典型應(yīng)用場(chǎng)合：

角度測(cè)量，水平調(diào)整，零位調(diào)整傾角開關(guān)（十二路開關(guān)信號(hào)），安全控制，監(jiān)控，報(bào)警機(jī)械臂，大壩，建筑，橋梁角度測(cè)量對(duì)準(zhǔn)控制，彎曲控制。初始位置控制，傾角姿態(tài)記錄儀汽車四輪定位

傾角傳感器應(yīng)用特點(diǎn)：

可以調(diào)節(jié)輸出頻率，內(nèi)置零位調(diào)整，可以根據(jù)要求定制零位調(diào)整按鈕，從而實(shí)現(xiàn)在一定的角度置零的功能。這對(duì)于要測(cè)量相對(duì)傾角的場(chǎng)合非常有用。使用完畢后可以重新回歸零位。在這種場(chǎng)合使用，只要將傳感器固定在一定的平面，測(cè)量前使用零位按鈕實(shí)現(xiàn)清零功能，傳感器在此之后讀出來(lái)的數(shù)據(jù)就是相對(duì)于該平面的相對(duì)傾角。

濾波功能：當(dāng)要求輸出比較穩(wěn)定時(shí)，建議使用比較平緩的輸出，以使輸出的值趨向平和，而變化不至于太劇烈。如果要求非常及時(shí)的輸出，比如在測(cè)量有較高頻率的振動(dòng)的場(chǎng)合，可以使用高頻輸出，不過(guò)，輸出會(huì)因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間非常短而不穩(wěn)定。同時(shí)，可以使用內(nèi)部濾波功能，以實(shí)現(xiàn)在振動(dòng)場(chǎng)合測(cè)量?jī)A角的目標(biāo)。

全量程傾角測(cè)量：通過(guò)雙軸的配合，可以實(shí)現(xiàn)360度傾角的測(cè)量。目前產(chǎn)品已經(jīng)非常穩(wěn)定。在一些需要進(jìn)行全量程傾角測(cè)量的場(chǎng)合，選擇360度產(chǎn)品是比較理想的。

種類

種類粗分：?jiǎn)屋S的和雙軸兩種選擇依據(jù)：根據(jù)你需要測(cè)量幾個(gè)方向的傾角，如果是一個(gè)就用單軸的，如果是兩個(gè)方向的（俯仰和橫滾）就選用雙軸的。應(yīng)用范圍：工程車輛調(diào)平，和高空平臺(tái)安全保護(hù)·定向衛(wèi)星通訊天線的俯仰角測(cè)量·船舶航行姿態(tài)測(cè)量·盾構(gòu)頂管應(yīng)用·大壩檢測(cè)·地質(zhì)設(shè)備傾斜監(jiān)測(cè)火炮炮管初射角度測(cè)量·雷達(dá)車輛平臺(tái)檢測(cè)·衛(wèi)星通訊車姿態(tài)檢測(cè)

應(yīng)用

1.引言

傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，作為信息系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)器件，近年來(lái)，已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。傾斜傳感器作為經(jīng)典的傳感器之一，也正在被新材料、新原理、多功能、新結(jié)構(gòu)所取代，與數(shù)字技術(shù)、通信技術(shù)的結(jié)合越來(lái)越密切，朝著集成化、智能化和微型化方向發(fā)展。

圖一

2.傾斜傳感器原理

為了測(cè)知被測(cè)物體與標(biāo)準(zhǔn)水平面的傾斜角度，常常用到一種電解質(zhì)型傳感器.圖為一雙軸傳感器在輕微傾斜時(shí)單軸向示意圖，傳感器由密封圓筒構(gòu)成，圓筒之間充滿整個(gè)容量一半左右的流體介質(zhì)，電解質(zhì)為呈粘滯性液體，圓筒中裝有電極，并且浸泡在電解液中，各電極分別有管腳引出。當(dāng)傳感器傾斜時(shí)，液面因?yàn)橹亓Ρ３炙?，兩電極間傳導(dǎo)率與電極浸入液體的長(zhǎng)度成正比。例如圖中所示的傾角下，電極a、b之間的傳導(dǎo)率大于電極b、c之間的傳導(dǎo)率?？梢姡陔娞匦陨?，傳感器類似于分壓計(jì)，阻抗的變化和傾斜的角度成正比，傳感器輸出信號(hào)隨傾斜角度變化的關(guān)系如圖二所示,注意當(dāng)傾角大于20°時(shí)輸出信號(hào)變得非線性?？梢宰C明，傳感器可以測(cè)量的傾角范圍為電解液容量、電極間距和電極長(zhǎng)度的函數(shù)。傳感器在某種程度上類似于鉛酸電池，電流能引起電解質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，最終結(jié)果使電解質(zhì)失去導(dǎo)電性，所以為了防止電解反應(yīng)的發(fā)生，傳感器的激勵(lì)必須為頻率足夠高的交變電流。對(duì)于某些電解液，這個(gè)頻率可以為25Hz，而有些電解液則需要達(dá)到1000Hz到4000Hz。

圖二傳感器輸出特性

3.傾斜傳感器在艦載天線控制中的應(yīng)用

3.1艦艇的前進(jìn)、海浪顛簸都會(huì)導(dǎo)致艦載天線隨機(jī)座發(fā)生傾斜，所以為了保證天線能夠連續(xù)準(zhǔn)確地跟蹤衛(wèi)星，就要對(duì)天線軸架進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。由于天線的轉(zhuǎn)動(dòng)控制除了方位（Azimuth）與俯仰（Level），還有一個(gè)俯仰的垂直面（Crosslevel），因此要用到三個(gè)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的角速度傳感器和一個(gè)檢測(cè)水平度的傾斜傳感器。如圖所示：

圖三艦載衛(wèi)星天線示意圖

3.2傳感器參數(shù)及應(yīng)用

測(cè)量范圍±45°；輸入電壓＋5v；輸出＋1～4vDC或4～20mA；分辨率為0.01°；非線性為±2°；工作溫度為－40°C～＋80°C；承受沖擊能力為1000g，1msec。

對(duì)于雙軸傳感器則即有與單軸傳感器類似的屬性，又包含自身的復(fù)雜性。由于雙軸共享中心電極，四個(gè)外圍電極理想地分布于正方形的四個(gè)角，所以每個(gè)軸向的獨(dú)立測(cè)量要用到兩種方法：一是同一時(shí)刻只有一個(gè)軸向激勵(lì)，二是雙軸向同時(shí)加載不同頻率的激勵(lì)，如圖所示，電極a、c間的激勵(lì)信號(hào)頻率為電極d、e間的二倍，要注意方法一中正交的兩個(gè)軸向分別為對(duì)角線ac和de方向，而方法二中正交的兩個(gè)軸向則是外圍電極正方形的邊緣ae和ad方向。

圖四外圍電極波形

3.3傳感器接口電路

圖五輸入電路框圖

從圖中可以看出，由于傳感器輸出為微弱的模擬信號(hào)，所以必須把傳感器輸出的模擬量進(jìn)行預(yù)處理，又稱信號(hào)調(diào)理，并且經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，處理器才能對(duì)其進(jìn)行分析處理。具體到電解質(zhì)型傾角傳感器，以某型艦載天線為例，實(shí)際應(yīng)用電路如下圖所示：

圖六傳感器應(yīng)用電路

圖中U5構(gòu)成傳感器輸出CTR端信號(hào)的反相放大電路，F(xiàn)1，F(xiàn)2來(lái)自處理器輸出端口控制信號(hào)，為頻率50HZ、相位差180°的方波，經(jīng)過(guò)反相器作為傳感器的LV和CL電極驅(qū)動(dòng)，既可實(shí)現(xiàn)每對(duì)電極上信號(hào)極性的交替變化，又能提供水平和垂直水平二維傾斜度測(cè)量的選擇。F1，F(xiàn)2同時(shí)又作用于多路輸入選擇器U6的控制端A和B，對(duì)應(yīng)于每對(duì)電極上信號(hào)極性的變化，選擇控制相應(yīng)極性的信號(hào)作為輸出。

4.結(jié)束語(yǔ)

電解質(zhì)型傾角傳感器具有良好的復(fù)現(xiàn)性、可靠性和較高的精度，在應(yīng)用中需要特別注意的是：⑴驅(qū)動(dòng)信號(hào)F1，F(xiàn)2必須為直流分量為零的交流電壓信號(hào)，因?yàn)橹绷鲿?huì)使電解質(zhì)產(chǎn)生電解反應(yīng)而失去導(dǎo)電性，對(duì)傳感器造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。⑵避免使用波峰焊接以及化學(xué)有機(jī)溶劑洗刷，以防止傳感器輸出特性的改變和電解液泄露。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：為確保其可靠運(yùn)行，應(yīng)在處理器端口引腳和傳感器之間接上CMOS反相器。微處理器可以設(shè)置成每秒喚醒一次或幾次進(jìn)行新的測(cè)量，同時(shí)采樣驅(qū)動(dòng)信號(hào)中點(diǎn)電壓作為參考，這樣每次測(cè)量分兩步完成：首先計(jì)算傳感器信號(hào)減去參考信號(hào)的值，然后加上反相驅(qū)動(dòng)信號(hào)并計(jì)算參考信號(hào)減去傳感器信號(hào)的值，將兩次測(cè)量結(jié)果相減得到所需傾斜值的2倍且使系統(tǒng)產(chǎn)生的偏差相抵消。