倾角传感器原理重点

1、一、倾角传感器原理倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，下面就它们的 工作原理进行介绍。1、“固体摆”式惯性器件固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，如图1所示，其由摆锤、摆线、支架组成，摆锤受重力G和摆拉力T的作用，其合外力F为：厂心二上二上二（1）其中，0为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时，可以认为F与0成线性关系。如应变式倾角传感器就一Mm；皿电于基于此原理。2、“液 体摆”式惯性器件液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三根电极相互平行且间距相等，如图2所示。当壳体水平时，电

2、极插入导电液的深度相同。如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压 时，电极之间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻RI和RIII o若液体摆水平时，贝U Rl = RHI。当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三 根电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。如图3所示，左边电极浸入深度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻RI增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻RIII减少，即RI >RIII o反之，若倾斜方向相反，则 RI v RIII o在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。

3、在实用中 除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发 生变化而感应出倾角的“液体摆”。3 “气体摆”式惯性器件气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一样，热气流总是 力图保持在铅垂方向上，因此也具有摆的特性。“气体摆”式惯性元件由密闭腔 体、气体和热线组成。当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体受到加速度的作用 时，热线的阻值发生变化，并且热线阻值的变化是角度q或加速度的函数，因而也具有摆的效应。其中热线阻值的变化是气体与热线之间的能量交换引起气体摆”式惯性器件的敏感机理基于密闭腔体中的能量传递，在密闭腔体中有气体和热线，热线是唯一的热源。当

4、装置通电时， 是主要形式。对流传热的方程为：（2）其中：h热量传递系数（m2），TH热线温度（K），传递系数h与流体的热传导率、动力学粘度、对气体加热。在热线能量交换中对流Q广0皿服仇-儿）：! 1； ' ），S 热线表面积TA气体温度（K）。热量流体速度和热线直径有关，表示7万兄4卩（3）l 热传导率（W/mK,U 流体速度（m2/s）,:粘度。当气流以速度为： 数， 数，的动力学其中：Nu为一努塞尔（Nusselt ） Re 雷诺（Reynold）D热线的直径（m）,n 流体U垂直穿过热线时，（4）将（4）式代入（3）式得:（5）根据热平衡方程可得:：I ” :=严）（陰小 =严）

5、厲一小所以：二巧=Z4,几一匚假设D k几和s为常数，则有：一（7）看出，当流体的动力学粘度、密度和热传导特性一定时，若热线周围流体的速度不从式（7）可以同，则流过热线的电流也不同，从而引起热线两端的电压也产生相应的变化。气体 摆式惯性器件就是根据i二王也匚泊电亍一原理研制的。气体摆式 检测器件的核心敏感元件为热线。电流流过热线，热线产生热量，使热线保持一定 的温度。热线的温度高于它周围气体的温度，动能增加，所以气体向上流动。在平 衡状态时，如图4（a）所示，热线处于同一水平面上，上升气流穿过它们的速度相 同，即V1=V1'，这时，气流对热线的影响相同，由式（7）可知，流过热线的电 流

6、也相同，电桥平衡。当密闭腔体倾斜时，热线相对水平面的高度发生了变化，如 图4（b）所示，因为密闭腔体中气体的流动是连续的，所以热气流在向上运动的过 程中，依次经过下部和上部的热线。若忽略气体上升过程中克服重力的能量损失， 则穿过上部热线的气流已经与下部热线的产生热交换，使穿过两根热线时的气流速 度不同，这时V2O/2，因此流过两根热线的电流也会发生相应的变化，所以电桥 失去平衡，输出一个电信号。倾斜角度不同，输出的电信号也不同。二、固、液，气体摆性能比较就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言，它们各有所。在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的

7、敏感质量是气体。气体是密封腔体内的唯一 运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度 无法达到军用武器系统的要求。固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基 本上与加速度传感器相同。在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、 精度及抗过载能力较高，在武器系统中应用也较为广泛。液体摆倾角传感器介于两 者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且 匡内外产品多为此类三、倾角传感器发展趋势与产品现状为获得倾角传感器产品资料，考了传感器世界、传感器产品目录等，又采用了互联网查 询及生产厂

8、家的代理商咨询等形式查阅了大量的倾角传感器资料，从反馈的信息可 知，目前生产倾角传感器的厂商较少，但就产品而言，单轴倾角传感器居多，且分 辨率较高。就国内产品而言，传感器与电路集表1倾角传感器产品产品名称 总量程 分辨率 线性度 工作温度(° C)存储温度(° C)频率响应(Hz) 工作原理 膜电位倾角传感器 土 60° 0.001 ° 1% -4060 -5065 0.5利用重力 对流体的作用引起膜电位变化 AccuStar系列土 30° 0.01 °± 0.3 °-4085 -5585 0.5利用重力对气泡的作用引起电容的变化斜角测量仪系列 土 1°± 60° 0.12/弧度2% -1871-4071 0.5利用重力引起质量块位置变化有位移 传感器测量 液体摆组合 ± 1° 0.001 ° 1% -4060 -5065 0.5利用重力引起 电解液液位变化，从而使电流变化 SZ型倾角传感器0°90° ± 0.2