傾角傳感器原理

1、傾角傳感器原理 之南宮幫珍創(chuàng)作傾角傳感器可以用來丈量相對(duì)于水平面的傾角變更量。理論基礎(chǔ) 就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，速 度是無法丈量的，但卻可以丈量其加速度。如果初速度已知，就 可以通過積分計(jì)算出線速度，進(jìn)而可以計(jì)算出直線位移。所以它 其實(shí)是運(yùn)用慣性原理的一種加速度傳感器。當(dāng)傾角傳感器靜止時(shí)也就是正面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度 傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器件在過去的幾年中成為 最成功，應(yīng)用最廣泛的微機(jī)電系統(tǒng)器件之一，而微加速度計(jì)(microaccelerometer )就是慣

2、性傳感器件的杰出代表。作為最 成熟的慣性傳感器應(yīng)用，現(xiàn)在的 MEMS加速度計(jì)有非常高的集成 度，即傳感系統(tǒng)與接口線路集成在一個(gè)芯片上。傾角傳感器把MCU MEMS速度計(jì)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通訊單元全 都集成在一塊非常小的電路板上面。可以直接輸出角度等傾斜數(shù) 據(jù)，讓人們更方便的使用它。其特點(diǎn)是：硅微機(jī)械傳感器丈量(MEMS 以水平面為參面的雙 軸傾角變更。輸出角度以水準(zhǔn)面為參考，基準(zhǔn)面可被再次校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)方式輸出，接口形式包含 RS232 RS485和可定制等多種方 式?？雇饨珉姶鸥蓴_能力強(qiáng)。承受沖擊振動(dòng)10000G一、傾角傳感器原理傾角傳感器經(jīng)經(jīng)常使用于系統(tǒng)的水平丈量，從工作原理上可分為 “固體擺”

3、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)中廣泛采取力平衡式伺服系統(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，B為擺線與垂直方向的夾角。在小角度范圍內(nèi)丈量時(shí)，可以認(rèn)為F與0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)，電極拔出導(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

4、極之間的液體相當(dāng)于兩個(gè)電阻RI和RIII o若液體擺水平時(shí)，貝S 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)生變更，但中間電極浸入深度基本 堅(jiān)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 o反之，若傾斜 方向相反，則RI v RIII。在液體擺的應(yīng)用中也有根據(jù)液體位置變更引起應(yīng)變片的變更，從而引起輸出電信號(hào)變更而感知傾角的變更。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

5、更而感應(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，熱氣流總是力圖堅(jiān)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)生變更，而且熱線阻值的變更是角度q或加速度的函數(shù)，因而也具有擺的效應(yīng)。其中熱線阻值的變更是氣體與 熱線之間的能量交換引起的?！皻怏w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，熱線是唯一的熱源。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

6、）其中：h熱量傳遞系數(shù)（w/m2x k）, s熱線概況積（m2）, TH熱線溫度（K）, TA氣體溫度（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)，暗示為：（3）其中：Nu為一努塞爾（Nusselt ）數(shù)，I 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分歧，則流過熱線

7、的電流也分歧，從而引起熱線兩端的電壓也發(fā)生相應(yīng)的變更。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。電流流過熱線， 熱線發(fā)生熱量，使熱線堅(jiān)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)生了變更，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)的過程中，依 次經(jīng)過下部和上部的熱線。若忽略氣體上升

8、過程中克服重力的能 量損失，則穿過上部熱線的氣流已經(jīng)與下部熱線的發(fā)生熱交換， 使穿過兩根熱線時(shí)的氣流速度分歧，這時(shí)V2¢ > V2,因此流過兩根熱線的電流也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變更，所以電橋失去平衡，輸 出一個(gè)電信號(hào)。傾斜角度分歧，輸出的電信號(hào)也分歧。二、固、液、氣體擺性能比較就基于固體擺、液體擺及氣體擺原理研制的傾角傳感器而 言，它們各有所長。在重力場中，固體擺的敏感質(zhì)量是擺錘質(zhì) 量，液體擺的敏感質(zhì)量是電解液，而氣體擺的敏感質(zhì)量是氣體。氣體是密封腔體內(nèi)的唯一運(yùn)動(dòng)體，它的質(zhì)量較小，在大沖擊 或高過載時(shí)發(fā)生的慣性力也很小，所以具有較強(qiáng)的抗振動(dòng)或沖擊 能力。但氣體運(yùn)動(dòng)控制較為復(fù)雜，影響其運(yùn)動(dòng)的因素較多，其精 度無法達(dá)到軍用武器系統(tǒng)的要求。固體擺傾角傳