傾角傳感器原理和發(fā)展

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）

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)變式傾角傳感器就是基于此原理。

2、

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R_I3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R_I減少，即R_I＞R_III。反之，若傾斜方向相反，則R_I＜R_III。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R_III和R_III。若液體擺水平時(shí)，則R_I＝R_III。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

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

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）

h—熱量傳遞系數(shù)（

s(m²)—熱線表面積

T_HK），—熱線溫度（

T_AK）。—氣體溫度（

熱量傳遞系數(shù)h （3）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：

N_u為—努塞爾（Nusselt）數(shù)，

l熱傳導(dǎo)率（W/mK），—

R_e—雷諾（Reynold

Um²/s）,—流體速度（

D(m),—熱線的直徑

n流體的動(dòng)力學(xué)粘度。—

U垂直穿過熱線時(shí)， （4）

43）式得： （5）

(6)

和s （7）為常數(shù)，則有：

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。

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V7）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(shí)的氣流速度不同，這時(shí)V＞V₂，因此流過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。₂₁＝V₁′

三、傾角傳感器發(fā)展趨勢(shì)與產(chǎn)品現(xiàn)狀

表1

ClinoCrossBow Technology公司、Atmos工程公司、Fredericks公司以及美國(guó)數(shù)字公司。就國(guó)外產(chǎn)品種類而言，其數(shù)量也較少，但從數(shù)字化、小型化、精度、重量、使用溫度范圍及線性度等指標(biāo)而言，具有較高的實(shí)用價(jià)值。如LS系列產(chǎn)品分辨率可達(dá)到1.8″，英國(guó)ClinoSP22mm，特殊的可達(dá)到16mm，可用于一些特殊場(chǎng)合。CrossBow公司CXTA、美國(guó)數(shù)子公司A2產(chǎn)品均屬于數(shù)字產(chǎn)品，可以通過接口板直接與計(jì)算機(jī)相連。同時(shí)在查閱的過程中可以看出，加速度傳感器由于其動(dòng)態(tài)性能好，精度高，因此在傾角測(cè)量中也得到廣泛的應(yīng)用。

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參考資料

[1]. 張維勝，自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].研究生論文，2000.3

[2]. 吳道悌，非電量測(cè)量[M].西安交通大學(xué)出版社，1995.4

The Theory And Development Of Tilt Sensor

Abstract: This paper gives a brief account of theory and development of tilt sensor. The comparison ofsensor performance based on different working principle is given. At the same time, the parameters of some type oftilt sensors are given.

Keywords: Tilt Sensor , Working Principle, Solid Pendulum, Liquid Pendulum, Gas Pendulum

作者簡(jiǎn)介：

張維勝：第二炮兵第三研究所，（100085）