傾角傳感��(jīng)常用于系�(tǒng)的水平測�,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,傾角傳感器還可以用來測量相對于水平面的傾角變化量�
傾角傳感器經(jīng)常用于系�(tǒng)的水平測�,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行介紹�
1、“固體擺”式慣性器�
固體擺在�(shè)計中廣泛采用力平衡式伺服系統(tǒng),如�1所�,其由擺�、擺線、支架組�� 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�,可以認為F與θ成線性關(guān)系。如應變式傾角傳感器就基于此原理�
2、“液體擺”式慣性器�
液體擺的�(jié)�(gòu)原理是在玻璃殼體�(nèi)裝有導電�,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�2所示。當殼體水平�,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�,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�,電極間的導電液不相等,三根電極浸入液體的深度也�(fā)生變�,但中間電極浸入深度基本保持不變。如�3所�,左邊電極浸入深度小,則導電液減�,導電的離子�(shù)減少,電阻RI增大,相對極則導電液增加,導電的離子�(shù)增加,而使電阻RIII 減少,即RI>RIII。反�,若傾斜方向相反,則RI<RIII�
在液體擺的應用中也有根據(jù)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而感知傾角的變化。在實用中除此類型外,還有在電解�(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)生變化而感應出傾角的“液體擺��
3、“氣體擺”式慣性器�
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�(zhì)量一�,熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向上,因此也具有擺的特�。“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�,并且熱線阻值的變化是角度q或加速度的函�(shù),因而也具有擺的效應。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�,熱線是的熱�。當裝置通電時,對氣體加�。在熱線能量交換中對流是主要形式�
對流傳熱的方程為:(2�
其中:h—熱量傳遞系�(shù)(w/m2×k�,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與流體的熱傳導率、動力學粘度、流體速度和熱線直徑有�(guān),表示為:(3�
其中:Nu為—努塞爾(Nusselt)數(shù),l—熱傳導率(W/mK�,Re—雷諾(Reynold)數(shù),U—流體速度(m2/s�,D—熱線的直徑(m�,n—流體的動力學粘��
當氣流以速度U垂直穿過熱線時,�4�
將(4)式代入�3)式得:�5�
根據(jù)熱平衡方程可得:
所以:�6�
假設(shè)和s為常�(shù),則有:�7�
從式�7)可以看�,當流體的動力學粘度、密度和熱傳導特性一定時,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)生相應的變化。氣體擺式慣性器件就是根�(jù)一原理研制��
氣體擺式檢測器件的核心敏感元件為熱線。電流流過熱�,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�,所以氣體向上流動。在平衡狀�(tài)�,如�4(a)所�,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�,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�,熱線相對水平面的高度發(fā)生了變化,如�4(b)所�,因為密閉腔體中氣體的流動是連續(xù)�,所以熱氣流在向上運動的過程�,依次經(jīng)過下部和上部的熱�。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�(jīng)與下部熱線的�(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�(fā)生相應的變化,所以電橋失去平�,輸出一個電信號。傾斜角度不�,輸出的電信號也不同�
典型應用場合� 角度測量,水平調(diào)整,零位�(diào)� 傾角傳感器應用特點: 可以�(diào)節(jié)輸出頻率,內(nèi)置零位調(diào)整,可以根據(jù)要求定制零位�(diào)整按�,從而實�(xiàn)在一定的角度置零的功�。這對于要測量相對傾角的場合非常有�。使用完畢后可以重新回歸零位。在這種場合使用,只要將傳感器固定在一定的平面,測量前使用零位按鈕實現(xiàn)清零功能,傳感器在此之后讀出來的數(shù)�(jù)就是相對于該平面的相對傾�� 濾波功能:當要求輸出比較�(wěn)定時,建議使用比較平緩的輸出,以使輸出的值趨向平和,而變化不至于太劇�。如果要求非常及時的輸出,比如在測量有較高頻率的振動的場�,可以使用高頻輸�,不過,輸出會因為響應時間非常短而不�(wěn)定。同�,可以使用內(nèi)部濾波功�,以實現(xiàn)在振動場合測量傾角的目標� 全量程傾角測量:通過雙軸的配�,可以實�(xiàn)360度傾角的測量。目前產(chǎn)品已�(jīng)非常�(wěn)定。在一些需要進行全量程傾角測量的場合,選�360度產(chǎn)品是比較理想��
傾角開關(guān)(十二路開關(guān)信號��
安全控制,監(jiān)控,報警
機械�,大�,建�,橋梁角度測�
對準控制,彎曲控��
初始位置控制,傾角姿�(tài)記錄儀
汽車四輪定位
種類粗分:單軸的和雙軸兩�
選擇依據(jù):根�(jù)你需要測量幾個方向的傾角,如果是一個就用單軸的,如果是兩個方向的(俯仰和橫滾)就選用雙軸��
應用范圍�
工程車輛�(diào)�,和高空平臺安全保護
·定向�(wèi)星通訊天線的俯仰角測量
·船舶航行姿態(tài)測量
·盾構(gòu)頂管應用
·大壩檢測
·地質(zhì)�(shè)備傾斜監(jiān)�
火炮炮管初射角度測量
·雷達車輛平臺檢測
·�(wèi)星通訊車姿�(tài)檢測
1.� 言
傳感�是能感受�(guī)定的被測量并按照一定的�(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置,作為信息系�(tǒng)的關(guān)鍵基�(chǔ)器件,近年來,已�(jīng)受到國內(nèi)外的廣泛�(guān)�。傾斜傳感器作為�(jīng)典的傳感器之一,也正在被新材料、新原理、多功能、新�(jié)�(gòu)所取代,與�(shù)字技�(shù)、通信技�(shù)的結(jié)合越來越密切,朝著集成化、智能化和微型化方向�(fā)��
圖一
2.傾斜傳感器原�
為了測知被測物體與標準水平面的傾斜角�,常常用到一�電解�(zhì)型傳感器.圖為一雙軸傳感器在輕微傾斜時單軸向示意�,傳感器由密封圓筒構(gòu)�,圓筒之間充滿整個容量一半左右的流體介質(zhì),電解質(zhì)為呈粘滯性液體,圓筒中裝有電�,并且浸泡在電解液中,各電極分別有管腳引�。當傳感器傾斜時,液面因為重力保持水�,兩電極間傳導率與電極浸入液體的長度成正�。例如圖中所示的傾角下,電極a、b之間的傳導率大于電極b、c之間的傳導率??梢姡陔娞匦陨?,傳感器類似于分壓計,阻抗的變化和傾斜的角度成正�,傳感器輸出信號隨傾斜角度變化的�(guān)系如圖二所�,注意當傾角大�20°時輸出信號變得非線�??梢宰C明,傳感器可以測量的傾角范圍為電解液容量、電極間距和電極長度的函�(shù)。傳感器在某種程度上類似于鉛�電池,電流能引起電解�(zhì)的化學反�,最終結(jié)果使電解�(zhì)失去導電性,所以為了防止電解反應的�(fā)�,傳感器的激勵必須為頻率足夠高的交變電流。對于某些電解液,這個頻率可以為25Hz,而有些電解液則需要達�1000Hz�4000Hz�
圖二 傳感器輸出特�
3. 傾斜傳感器在艦載天線控制中的應用
3.1艦艇的前�、海浪顛簸都會導致艦載天線隨機座�(fā)生傾斜,所以為了保證天線能夠連續(xù)準確地跟蹤衛(wèi)�,就要對天線軸架進行實時�(diào)�。由于天線的�(zhuǎn)動控制除了方位(Azimuth)與俯仰(Level�,還有一個俯仰的垂直面(Cross level),因此要用到三個檢測電機轉(zhuǎn)速的�速度傳感�和一個檢測水平度的傾斜傳感器。如圖所示:
圖三 艦載�(wèi)星天線示意圖
3.2傳感器參�(shù)及應�
測量范圍±45°;輸入電壓+5v;輸出+1�4vDC�4�20mA;分辨率�0.01°;非線性為±2°;工作溫度為�40°C~+80°C;承受沖擊能力為1000g�1msec�
對于雙軸傳感器則即有與單軸傳感器類似的屬性,又包含自身的復雜�。由于雙軸共享中心電�,四個外圍電極理想地分布于正方形的四個角,所以每個軸向的獨立測量要用到兩種方法:一是同一時刻只有一個軸向激�,二是雙軸向同時加載不同頻率的激�,如圖所�,電極a、c間的激勵信號頻率為電極d、e間的二�,要注意方法一中正交的兩個軸向分別為對角線ac和de方向,而方法二中正交的兩個軸向則是外圍電極正方形的邊緣ae和ad方向�
圖四 外圍電極波形
圖五 輸入電路框圖
從圖中可以看�,由于傳感器輸出為微弱的模擬信號,所以必須把傳感器輸出的模擬量進行預處�,又稱信號調(diào)�,并且經(jīng)過A/D�(zhuǎn)換變成數(shù)字量�處理�才能對其進行分析處理。具體到電解�(zhì)�傾角傳感�,以某型艦載天線為例,實際應用電路如下圖所示:
圖六 傳感器應用電�
圖中U5�(gòu)成傳感器輸出CTR端信號的反相放大電路,F(xiàn)1,F(xiàn)2來自處理器輸出端口控制信�,為頻率50HZ、相位差180°的方�,經(jīng)過反相器作為傳感器的LV和CL電極�(qū)�,既可實�(xiàn)每對電極上信號極性的交替變化,又能提供水平和垂直水平二維傾斜度測量的選擇。F1,F(xiàn)2同時又作用于多路輸入選擇器U6的控制端A和B,對應于每對電極上信號極性的變化,選擇控制相應極性的信號作為輸出�
4.�(jié)束語
電解�(zhì)型傾角傳感器具有良好的復�(xiàn)�、可靠性和較高的精度,在應用中需要特別注意的是:⑴驅(qū)動信號F1,F(xiàn)2必須為直流分量為零的交流電壓信號,因為直流會使電解質(zhì)�(chǎn)生電解反應而失去導電性,對傳感器造成不可逆轉(zhuǎn)的損�。⑵避免使用波峰�接以及化學有機溶劑洗刷,以防止傳感器輸出特性的改變和電解液泄露�
本文作者創(chuàng)新點:為確保其可靠運�,應在處理器端口引腳和傳感器之間接上CMOS 反相器�微處理器可以�(shè)置成每秒喚醒一次或幾次進行新的測量,同時采樣驅(qū)動信號中點電壓作為參�,這樣每次測量分兩步完成:首先計算傳感器信號減去參考信號的值,然后加上反相�(qū)動信號并計算參考信號減去傳感器信號的�,將兩次測量�(jié)果相減得到所需傾斜值的2 倍且使系�(tǒng)�(chǎn)生的偏差相抵消�
維庫電子�,電子知�,一查百��
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