傾角傳感器原理和發(fā)展
摘要：本文簡述了傾角傳感器的原理和發(fā)展?fàn)顩r。對幾種原理的傾角傳感器的性能作了比較，并給出了相應(yīng)產(chǎn)品的性能參數(shù)。
關(guān)鍵詞：傾角傳感器；原理；固體擺；氣體擺；液體擺
文章編號：1006-883X（2002）08-0005-04 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 中圖分類號：TP212.1
一、傾角傳感器原理
傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)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(jìn)行介紹。
1、“固體擺”式慣性器件
固體擺在設(shè)計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)測量時，可以認(rèn)為F與θ成線性關(guān)系。如應(yīng)變式傾角傳感器就是基于此原理。
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，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，電極之間會形成離子電流，兩根電極之間的液體相當(dāng)于兩個電阻RI和RIII。若液體擺水平時，則RI＝RIII。當(dāng)玻璃殼體傾斜時，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(zhì)溶液中留下一氣泡，當(dāng)裝置傾斜時氣泡會運動使電容發(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)腔體所在平面相對水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時，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，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）
（2） 其中：h—熱量傳遞系數(shù)（ 
），
）， 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(shù)h與流體的熱傳導(dǎo)率、動力學(xué)粘度、流體速度和熱線直徑有關(guān)，表示為： 
（3）
（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—流體的動力學(xué)粘度。
當(dāng)氣流以速度U垂直穿過熱線時，
（4）
（4） 將（4）式代入（3）式得： 
（5）
（5） 根據(jù)熱平衡方程可得：
所以：
(6)
(6) 假設(shè) 
和s為常數(shù)，則有：
（7）
和s為常數(shù)，則有： （7）
從式（7）可以看出，當(dāng)流體的動力學(xué)粘度、密度和熱傳導(dǎo)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(chǎn)生相應(yīng)的變化。氣體擺式慣性器件就是根據(jù)這一原理研制的。
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(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，動能增加，所以氣體向上流動。在平衡狀態(tài)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(dāng)密閉腔體傾斜時，熱線相對水平面的高度發(fā)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(xù)的，所以熱氣流在向上運動的過程中，依次經(jīng)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(jīng)與下部熱線的產(chǎn)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(fā)生相應(yīng)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。
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)的唯一運動體，它的質(zhì)量較小，在大沖擊或高過載時產(chǎn)生的慣性力也很小，所以具有較強的抗振動或沖擊能力。但氣體運動控制較為復(fù)雜，影響其運動的因素較多，其精度無法達(dá)到軍用武器系統(tǒng)的要求。固體擺傾角傳感器有明確的擺長和擺心，其機理基本上與加速度傳感器相同。在實用中產(chǎn)品類型較多如電磁擺式，其產(chǎn)品測量范圍、精度及抗過載能力較高，在武器系統(tǒng)中應(yīng)用也較為廣泛。液體擺傾角傳感器介于兩者之間，但系統(tǒng)穩(wěn)定，在高精度系統(tǒng)中，應(yīng)用較為廣泛，且國內(nèi)外產(chǎn)品多為此類。
三、傾角傳感器發(fā)展趨勢與產(chǎn)品現(xiàn)狀
為獲得傾角傳感器產(chǎn)品資料，參考了《傳感器世界》、《傳感器產(chǎn)品目錄》等，又采用了互聯(lián)網(wǎng)查詢及生產(chǎn)廠家的代理商咨詢等形式查閱了大量的傾角傳感器資料，從反饋的信息可知，目前生產(chǎn)傾角傳感器的廠商較少，但就產(chǎn)品而言，單軸傾角傳感器居多，且分辨率較高。就國內(nèi)產(chǎn)品而言，傳感器與電路集
表1 傾角傳感器產(chǎn)品
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