盤點常用傾角傳感器的原理

    傾角傳感器又稱作傾斜儀、測斜儀、水平儀、傾角計,常用于系統(tǒng)的水平角度變化測量,此類傳感器過去只是簡單的水泡水平儀,隨著自動化和電子測量技術(shù)的發(fā)展,傾角傳感器的種類也逐漸增多,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,下面我們了解一下它們的工作原理。

    1、固體擺式傾角傳感器

    固體擺在設(shè)計中廣泛采用力平衡式伺服系統(tǒng),如圖所示,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 =G sinθ=mg sinθ。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,可以認為F與θ成線性關(guān)系,應(yīng)變式傾角傳感器就基于此原理。

    2、液體擺式傾角傳感器

    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(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。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,相對較則導(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、氣體擺式傾角傳感器

    “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(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。

    氣體擺式檢測器件的**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**它周圍氣體的溫度,動能增加,所以氣體向**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。

    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,其精度無法達到武器系統(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。

    目前,傾角傳感器成為橋梁架設(shè)、鐵路鋪設(shè)、土木工程、石油鉆井、航空航海、工業(yè)自動化、智能平臺、機械加工等領(lǐng)域不可缺少的重要測量工具。


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