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(xiàn)、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(xiàn)與垂直方向的夾角。在小角度范圍內測量時(shí)，可以認為F與θ成線(xiàn)性關(guān)系。如應變式傾角傳感器就是基于此原理。

2、

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(shí)，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(shí)，電極之間會(huì )形成離子電流，兩根電極之間的液體相當于兩個(gè)電阻R_I3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，相對極則導電液增加，導電的離子數增加，而使電阻R_III和R_III。若液體擺水平時(shí)，則R_I＝R_III。當玻璃殼體傾斜時(shí)，電極間的導電液不相等，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

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(xiàn)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(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，因而也具有擺的效應。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。當裝置通電時(shí)，對氣體加熱。在熱線(xiàn)能量交換中對流是主要形式。

對流傳熱的方程為： （2）

h—熱量傳遞系數（

s(m²)—熱線(xiàn)表面積

T_HK），—熱線(xiàn)溫度（

T_AK）。—氣體溫度（

熱量傳遞系數h （3）與流體的熱傳導率、動(dòng)力學(xué)粘度、流體速度和熱線(xiàn)直徑有關(guān)，表示為：

N_u為—努塞爾（Nusselt）數，

l熱傳導率（W/mK），—

R_e—雷諾（Reynold

Um²/s）,—流體速度（

D(m),—熱線(xiàn)的直徑

n流體的動(dòng)力學(xué)粘度。—

U垂直穿過(guò)熱線(xiàn)時(shí)， （4）

43）式得： （5）

(6)

和s （7）為常數，則有：

從式（7）可以看出，當流體的動(dòng)力學(xué)粘度、密度和熱傳導特性一定時(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)生相應的變化。氣體擺式慣性器件就是根據這一原理研制的。

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V7）可知，流過(guò)熱線(xiàn)的電流也相同，電橋平衡。當密閉腔體傾斜時(shí)，熱線(xiàn)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(dòng)是連續的，所以熱氣流在向上運動(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)V＞V₂，因此流過(guò)兩根熱線(xiàn)的電流也會(huì )發(fā)生相應的變化，所以電橋失去平衡，輸出一個(gè)電信號。傾斜角度不同，輸出的電信號也不同。₂₁＝V₁′

三、傾角傳感器發(fā)展趨勢與產(chǎn)品現狀

表1

ClinoCrossBow Technology公司、Atmos工程公司、Fredericks公司以及美國數字公司。就國外產(chǎn)品種類(lèi)而言，其數量也較少，但從數字化、小型化、精度、重量、使用溫度范圍及線(xiàn)性度等指標而言，具有較高的實(shí)用價(jià)值。如LS系列產(chǎn)品分辨率可達到1.8″，英國ClinoSP22mm，特殊的可達到16mm，可用于一些特殊場(chǎng)合。CrossBow公司CXTA、美國數子公司A2產(chǎn)品均屬于數字產(chǎn)品，可以通過(guò)接口板直接與計算機相連。同時(shí)在查閱的過(guò)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，因此在傾角測量中也得到廣泛的應用。

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參考資料

[1]. 張維勝，自動(dòng)調平系統設計[D].研究生論文，2000.3

[2]. 吳道悌，非電量測量[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）