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[瀏覽次數：1453次]傾角傳感器
傾角傳感器經常用于系統的水平測量，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測量相對于水平面的傾角變化量。
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傾角傳感器原理
- 傾角傳感器經常用于系統的水平測量，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行介紹。
1、“固體擺”式慣性器件
固體擺在設計中廣泛采用力平衡式伺服系統，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。在小角度范圍內測量時，可以認為F與θ成線性關系。如應變式傾角傳感器就基于此原理。
2、“液體擺”式慣性器件
液體擺的結構原理是在玻璃殼體內裝有導電液，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。當殼體水平時，電極插入導電液的深度相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時，電極之間會形成離子電流，兩根電極之間的液體相當于兩個電阻RI和RIII。若液體擺水平時，則RI＝RIII。當玻璃殼體傾斜時，電極間的導電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發生變化，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，則導電液減少，導電的離子數減少，電阻RI增大，相對極則導電液增加，導電的離子數增加，而使電阻RIII 減少，即RI＞RIII。反之，若傾斜方向相反，則RI＜RIII。
在液體擺的應用中也有根據液體位置變化引起應變片的變化，從而引起輸出電信號變化而感知傾角的變化。在實用中除此類型外，還有在電解質溶液中留下一氣泡，當裝置傾斜時氣泡會運動使電容發生變化而感應出傾角的“液體擺”。
3、“氣體擺”式慣性器件
氣體在受熱時受到浮升力的作用，如同固體擺和液體擺也具有的敏感質量一樣，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。當腔體所在平面相對水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時，熱線的阻值發生變化，并且熱線阻值的變化是角度q或加速度的函數，因而也具有擺的效應。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。當裝置通電時，對氣體加熱。在熱線能量交換中對流是主要形式。
對流傳熱的方程為：（2）
其中：h—熱量傳遞系數（w/m2×k），s—熱線表面積(m2)，TH—熱線溫度（K），TA—氣體溫度（K）。
熱量傳遞系數h與流體的熱傳導率、動力學粘度、流體速度和熱線直徑有關，表示為：（3）
其中：Nu為—努塞爾（Nusselt）數，l—熱傳導率（W/mK），Re—雷諾（Reynold）數，U—流體速度（m2/s）,D—熱線的直徑（m）,n—流體的動力學粘度。
當氣流以速度U垂直穿過熱線時，（4）
將（4）式代入（3）式得：（5）
根據熱平衡方程可得：
所以：（6）
假設和s為常數，則有：（7）
從式（7）可以看出，當流體的動力學粘度、密度和熱傳導特性一定時，若熱線周圍流體的速度不同，則流過熱線的電流也不同，從而引起熱線兩端的電壓也產生相應的變化。氣體擺式慣性器件就是根據一原理研制的。
氣體擺式檢測器件的核心敏感元件為熱線。電流流過熱線，熱線產生熱量，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，動能增加，所以氣體向上流動。在平衡狀態時，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，氣流對熱線的影響相同，由式（7）可知，流過熱線的電流也相同，電橋平衡。當密閉腔體傾斜時，熱線相對水平面的高度發生了變化，如圖4(b)所示，因為密閉腔體中氣體的流動是連續的，所以熱氣流在向上運動的過程中，依次經過下部和上部的熱線。若忽略氣體上升過程中克服重力的能量損失，則穿過上部熱線的氣流已經與下部熱線的產生熱交換，使穿過兩根熱線時的氣流速度不同，這時V2¢＞V2，因此流過兩根熱線的電流也會發生相應的變化，所以電橋失去平衡，輸出一個電信號。傾斜角度不同，輸出的電信號也不同。
- 傾角傳感器經常用于系統的水平測量，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行介紹。
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傾角傳感器應用特點
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典型應用場合：
應用
角度測量，水平調整，零位調整
傾角開關（十二路開關信號），
安全控制，監控，報警
機械臂，大壩，建筑，橋梁角度測量
對準控制，彎曲控制。
初始位置控制，傾角姿態記錄儀
汽車四輪定位傾角傳感器應用特點：
可以調節輸出頻率，內置零位調整，可以根據要求定制零位調整按鈕，從而實現在一定的角度置零的功能。這對于要測量相對傾角的場合非常有用。使用完畢后可以重新回歸零位。在這種場合使用，只要將傳感器固定在一定的平面，測量前使用零位按鈕實現清零功能，傳感器在此之后讀出來的數據就是相對于該平面的相對傾角。
濾波功能：當要求輸出比較穩定時，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。如果要求非常及時的輸出，比如在測量有較高頻率的振動的場合，可以使用高頻輸出，不過，輸出會因為響應時間非常短而不穩定。同時，可以使用內部濾波功能，以實現在振動場合測量傾角的目標。
全量程傾角測量：通過雙軸的配合，可以實現360度傾角的測量。目前產品已經非常穩定。在一些需要進行全量程傾角測量的場合，選擇360度產品是比較理想的。
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傾角傳感器種類
- 種類粗分：單軸的和雙軸兩種
選擇依據：根據你需要測量幾個方向的傾角，如果是一個就用單軸的，如果是兩個方向的（俯仰和橫滾）就選用雙軸的。
應用范圍：
工程車輛調平，和高空平臺安全保護
·定向衛星通訊天線的俯仰角測量
·船舶航行姿態測量
·盾構頂管應用
·大壩檢測
·地質設備傾斜監測
火炮炮管初射角度測量
·雷達車輛平臺檢測
·衛星通訊車姿態檢測
- 種類粗分：單軸的和雙軸兩種
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電解質型傾角傳感器在天線控制中的應用
- 1.引 言
傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，作為信息系統的關鍵基礎器件，近年來，已經受到國內外的廣泛關注。傾斜傳感器作為經典的傳感器之一，也正在被新材料、新原理、多功能、新結構所取代，與數字技術、通信技術的結合越來越密切，朝著集成化、智能化和微型化方向發展。
圖一2.傾斜傳感器原理
為了測知被測物體與標準水平面的傾斜角度，常常用到一種電解質型傳感器.圖為一雙軸傳感器在輕微傾斜時單軸向示意圖，傳感器由密封圓筒構成，圓筒之間充滿整個容量一半左右的流體介質，電解質為呈粘滯性液體，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。當傳感器傾斜時，液面因為重力保持水平，兩電極間傳導率與電極浸入液體的長度成正比。例如圖中所示的傾角下，電極a、b之間的傳導率大于電極b、c之間的傳導率。可見，在電特性上，傳感器類似于分壓計，阻抗的變化和傾斜的角度成正比，傳感器輸出信號隨傾斜角度變化的關系如圖二所示,注意當傾角大于20°時輸出信號變得非線性。可以證明，傳感器可以測量的傾角范圍為電解液容量、電極間距和電極長度的函數。傳感器在某種程度上類似于鉛酸電池，電流能引起電解質的化學反應，最終結果使電解質失去導電性，所以為了防止電解反應的發生，傳感器的激勵必須為頻率足夠高的交變電流。對于某些電解液，這個頻率可以為25Hz，而有些電解液則需要達到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用
3.1艦艇的前進、海浪顛簸都會導致艦載天線隨機座發生傾斜，所以為了保證天線能夠連續準確地跟蹤衛星，就要對天線軸架進行實時調整。由于天線的轉動控制除了方位（Azimuth）與俯仰（Level），還有一個俯仰的垂直面（Cross level），因此要用到三個檢測電機轉速的角速度傳感器和一個檢測水平度的傾斜傳感器。如圖所示：
圖三 艦載衛星天線示意圖3.2傳感器參數及應用
測量范圍±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，又包含自身的復雜性。由于雙軸共享中心電極，四個外圍電極理想地分布于正方形的四個角，所以每個軸向的獨立測量要用到兩種方法：一是同一時刻只有一個軸向激勵，二是雙軸向同時加載不同頻率的激勵，如圖所示，電極a、c間的激勵信號頻率為電極d、e間的二倍，要注意方法一中正交的兩個軸向分別為對角線ac和de方向，而方法二中正交的兩個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，所以必須把傳感器輸出的模擬量進行預處理，又稱信號調理，并且經過A/D轉換變成數字量，處理器才能對其進行分析處理。具體到電解質型傾角傳感器，以某型艦載天線為例，實際應用電路如下圖所示：
圖六 傳感器應用電路圖中U5構成傳感器輸出CTR端信號的反相放大電路，F1，F2來自處理器輸出端口控制信號，為頻率50HZ、相位差180°的方波，經過反相器作為傳感器的LV和CL電極驅動，既可實現每對電極上信號極性的交替變化，又能提供水平和垂直水平二維傾斜度測量的選擇。F1，F2同時又作用于多路輸入選擇器U6的控制端A和B，對應于每對電極上信號極性的變化，選擇控制相應極性的信號作為輸出。
4.結束語
電解質型傾角傳感器具有良好的復現性、可靠性和較高的精度，在應用中需要特別注意的是：⑴驅動信號F1，F2必須為直流分量為零的交流電壓信號，因為直流會使電解質產生電解反應而失去導電性，對傳感器造成不可逆轉的損壞。⑵避免使用波峰焊接以及化學有機溶劑洗刷，以防止傳感器輸出特性的改變和電解液泄露。
本文作者創新點：為確保其可靠運行，應在處理器端口引腳和傳感器之間接上CMOS反相器。微處理器可以設置成每秒喚醒一次或幾次進行新的測量，同時采樣驅動信號中點電壓作為參考，這樣每次測量分兩步完成：首先計算傳感器信號減去參考信號的值，然后加上反相驅動信號并計算參考信號減去傳感器信號的值，將兩次測量結果相減得到所需傾斜值的2 倍且使系統產生的偏差相抵消。
- 1.引 言
摘自：華強電子網
