一文讀懂傾角傳感器原理及其應(yīng)用

隨著生產(chǎn)和科學(xué)的不斷發(fā)展，角度測(cè)量越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)科研等各領(lǐng)域,隨著技術(shù)水平和測(cè)量準(zhǔn)確度也在不斷提高。 市場(chǎng)對(duì)于傳感器的需求也是越來(lái)越大，單從定義上來(lái)看傾角傳感器是用來(lái)測(cè)量相對(duì)于水平面的傾角變化量，換句話(huà)說(shuō)傾角傳感器其實(shí)是運(yùn)用慣性原理的一種 加速度傳感器 。

根據(jù)基本的物理原理，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無(wú)法測(cè)量的，但卻可以測(cè)量其加速度。如果初速度已知，就可以通過(guò)積分算出線(xiàn)速度，進(jìn)而可以計(jì)算出直線(xiàn)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)也就是側(cè)面和垂直方向沒(méi)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。

傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平距離和物體的高度的測(cè)量，從工作原理上可分為固體擺式、液體擺式、氣體擺式三種傾角傳感器，這三種傾角傳感器都是利用地球萬(wàn)有引力的作用，將傳感器敏感器件對(duì)大地的姿態(tài)角，即與大地引力的夾角 (傾角)這一物理量，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或脈沖信號(hào)。

如圖所示，其由擺錘、擺線(xiàn)、支架組成，擺錘受重力G和擺拉力T的作用，其合外力

F =G sinθ=mg sinθ

式中的θ為擺線(xiàn)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(xiàn)性關(guān)系。如應(yīng)變式傾角傳感器就是基于此原理。

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RI和RIII。

若液體擺水平時(shí)，則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)生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。如圖所示，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。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(hào)變化而感知傾角的變化。在實(shí)用中除此類(lèi)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)生變化而感應(yīng)出傾角的“液體擺”。

“氣體擺”式慣性元件由密閉腔體、氣體和熱線(xiàn)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(xiàn)的阻值發(fā)生變化，并且熱線(xiàn)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(xiàn)阻值的變化是氣體與熱線(xiàn)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(xiàn)，熱線(xiàn)是唯一的熱源。當(dāng)裝置通電時(shí)，對(duì)氣體加熱。在熱線(xiàn)能量交換中對(duì)流是主要形式。

對(duì)流傳熱的方程為：

其中：h—熱量傳遞系數(shù)(w/m2×k)，s—熱線(xiàn)表面積(m2)，TH—熱線(xiàn)溫度(K)，TA—?dú)怏w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(xiàn)直徑有關(guān)，表示為：

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(xiàn)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(guò)熱線(xiàn)時(shí)，

將(4)式代入(3)式得：

根據(jù)熱平衡方程可得：

所以：

假設(shè)和s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(xiàn)周?chē)黧w的速度不同，則流過(guò)熱線(xiàn)的電流也不同，從而引起熱線(xiàn)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)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(xiàn)。電流流過(guò)熱線(xiàn)，熱線(xiàn)產(chǎn)生熱量，使熱線(xiàn)保持一定的溫度。熱線(xiàn)的溫度高于它周?chē)鷼怏w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(xiàn)處于同一水平面上，上升氣流穿過(guò)它們的速度相同，即V1=V1′，這時(shí)，氣流對(duì)熱線(xiàn)的影響相同，由式(7)可知，流過(guò)熱線(xiàn)的電流也相同，電橋平衡。當(dāng)密閉腔體傾斜時(shí)，熱線(xiàn)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(guò)程中，依次經(jīng)過(guò)下部和上部的熱線(xiàn)。若忽略氣體上升過(guò)程中克服重力的能量損失，則穿過(guò)上部熱線(xiàn)的氣流已經(jīng)與下部熱線(xiàn)的產(chǎn)生熱交換，使穿過(guò)兩根熱線(xiàn)時(shí)的氣流速度不同，這時(shí)V2￠>V2，因此流過(guò)兩根熱線(xiàn)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。

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(zhǎng)。在重力場(chǎng)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(guò)載時(shí)產(chǎn)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(wú)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(zhǎng)和擺心，其機(jī)理基本上與加速度傳感器相同。在實(shí)用中產(chǎn)品類(lèi)型較多如電磁擺式，其產(chǎn)品測(cè)量范圍、精度及抗過(guò)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(guó)內(nèi)外產(chǎn)品多為此類(lèi)。

傾角傳感器用于各種測(cè)量角度的應(yīng)用中。例如，高精度激光儀器水平、工程機(jī)械設(shè)備調(diào)平、遠(yuǎn)距離測(cè)距儀器、高空平臺(tái)安全保護(hù)、定向衛(wèi)星通訊天線(xiàn)的俯仰角測(cè)量、 船舶航行姿態(tài)測(cè)量、盾構(gòu)頂管應(yīng)用、大壩檢測(cè)、地質(zhì)設(shè)備傾斜監(jiān)測(cè)、火炮炮管初射角度測(cè)量、雷達(dá)車(chē)輛平臺(tái)檢測(cè)、衛(wèi)星通訊車(chē)姿態(tài)檢測(cè)等等。

海事地理

山體滑坡，雪崩——雙軸傾角傳感器配合液位傳感器用于山體滑坡或雪崩監(jiān)測(cè)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)山體狀態(tài)，可以有效減小山體滑坡帶來(lái)的損失。

建筑工程

高層建筑安全監(jiān)測(cè)——目前世界上摩天大樓越來(lái)越多，為了監(jiān)測(cè)大樓的安全性能，可以應(yīng)用高精度的伺服傾角傳感器，該系列傾角傳感器可以感應(yīng)微小角度的變化，可以用于大樓擺幅、震動(dòng)、傾斜等監(jiān)測(cè)。

水庫(kù)大壩

大壩安全監(jiān)測(cè)——大壩垮塌事故已經(jīng)發(fā)生多次，為了及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，減少財(cái)產(chǎn)損失，通過(guò)傾角傳感器的監(jiān)測(cè)、觀(guān)測(cè)儀器和設(shè)備，以及時(shí)取得反映大壩和基巖性態(tài) 變化以及環(huán)境對(duì)大壩作用的各種數(shù)據(jù)的觀(guān)測(cè)和資料處理等工作。其目的是分析估計(jì)大壩的安全程度，以便及時(shí)采取措施，設(shè)法保證大壩安全運(yùn)行。

挖掘機(jī)械

挖掘機(jī)——為了實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的三維空間定位，在安裝工作裝置各關(guān)節(jié)角度傳感器的基礎(chǔ)上，又安裝平臺(tái)回轉(zhuǎn)角度檢測(cè)裝置和平臺(tái)傾角傳感器，并在斗桿上安裝激光接 收儀用于檢測(cè)地面激光發(fā)射器發(fā)射的水平機(jī)關(guān)相對(duì)于接收儀零位的高度。建立挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模式，推導(dǎo)車(chē)體相對(duì)于大地的坐標(biāo)變換矩陣，即完成三維空間的車(chē)體定 位，并得到常用簡(jiǎn)單的車(chē)體高程定位公式，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)挖掘軌跡的三維空間定位為實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的三維空間軌跡精確與挖掘機(jī)深度控制打下基礎(chǔ)。

現(xiàn)代汽車(chē)

汽車(chē)四輪定位——隨著電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，汽車(chē)的安全性、舒適性和智能性越來(lái)越高。汽車(chē)側(cè)向傾斜角度傳感器的應(yīng)用是防止汽車(chē)在行駛中發(fā)生傾翻事故的一種 有效方法。是提高汽車(chē)安全性的重要措施，特別是越野車(chē)。雙層客車(chē)等重心較高的汽車(chē)更有必要性。汽車(chē)傾翻的實(shí)質(zhì)是：行駛中向外的傾翻力矩大于向里的穩(wěn)定力 矩，當(dāng)重心高度一定時(shí)，傾斜力矩油傾翻力(向外的側(cè)向力)決定。

機(jī)器人

機(jī)器人——近年來(lái)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展很快，歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家早就開(kāi)始對(duì)各種機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)的研究，隨著科技的進(jìn)步和時(shí)間的推移，取得了大量的研究成果。我們知道機(jī)器人上應(yīng)用了大量的傳感器，其中傾角傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的狀態(tài)。

鐵路鐵軌

軌檢儀：目前的軌道測(cè)量方式智能程度差,測(cè)量精度低,操作時(shí)間長(zhǎng),迫切需要設(shè)計(jì)一種適用于一般使用的便攜式智能化軌道檢測(cè)儀傾角傳感器用于軌檢儀，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)鐵道的傾斜度和高度差。

輸電線(xiàn)塔

輸電線(xiàn)鐵塔傾斜智能監(jiān)測(cè)——輸電線(xiàn)鐵塔的倒塌事件時(shí)有發(fā)生，一旦發(fā)生倒塌，將會(huì)造成巨大的損失，傾角傳感器應(yīng)用于輸電線(xiàn)鐵塔傾斜角度監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線(xiàn)傾斜角度，一旦因?yàn)榇箫L(fēng)等自然災(zāi)害導(dǎo)致傾斜角度過(guò)大，實(shí)時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，由工作人員維修減少損失。

平臺(tái)控制

船載水平平臺(tái)——傾角傳感器在船載水平平臺(tái)上應(yīng)用，用于船載衛(wèi)星跟蹤天線(xiàn)的底座，以保持天線(xiàn)始終處于水平狀態(tài)，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可以隔離船體的俯仰和橫滾運(yùn)動(dòng)，使平臺(tái)處于水平。

太陽(yáng)能

太陽(yáng)能——太陽(yáng)能是一種清潔的能源，它的應(yīng)用正在世紀(jì)范圍內(nèi)普遍的增長(zhǎng)，利用太陽(yáng)能發(fā)電就是一個(gè)使用太陽(yáng)能的方式，因此為了得到充足的利用太陽(yáng)能，如何選擇太陽(yáng)能電池方位角與傾斜角是一個(gè)重要的問(wèn)題，利用傾角傳感器調(diào)整角度，將太陽(yáng)能的利用率進(jìn)一步提高。