角度傳感器詳解

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角度傳感器的定義

角度傳感器是指能感受被測角度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。角度傳感器，顧名思義，是用來檢測角度的。它的身體中有一個(gè)孔，可以配合樂高的軸。當(dāng)連結(jié)到RCX上時(shí)，軸每轉(zhuǎn)過1/16圈，角度傳感器就會(huì)計(jì)數(shù)一次。往一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)增加，轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，計(jì)數(shù)減少。計(jì)數(shù)與角度傳感器的初始位置有關(guān)。當(dāng)初始化角度傳感器時(shí)，它的計(jì)數(shù)值被設(shè)置為0，如果需要，你可以用編程把它重新復(fù)位。

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通過計(jì)算旋轉(zhuǎn)的角度可以很容易的測出位置和速度。當(dāng)在機(jī)器人身上連接上輪子（或通過齒輪傳動(dòng)來移動(dòng)機(jī)器人）時(shí)，可以依據(jù)旋轉(zhuǎn)的角度和輪子圓周數(shù)來推斷機(jī)器人移動(dòng)的距離。然后就可以把距離轉(zhuǎn)換成速度，你也可以用它除以所用時(shí)間。

實(shí)際上，計(jì)算距離的基本方程式為：距離=速度×?xí)r間

由此可以得到：速度=距離/時(shí)間

磁敏角度傳感器

磁敏電阻角度傳感器

磁敏感角度傳感器采用高性能集成磁敏感元件，利用磁信號(hào)感應(yīng)非接觸的特點(diǎn)，配合微處理器進(jìn)行智能化信號(hào)處理制成的新一代角度傳感器。

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特點(diǎn)：無觸點(diǎn)、高靈敏度、接近無限轉(zhuǎn)動(dòng)壽命、無噪聲、高重復(fù)性、高頻響應(yīng)特性好。

優(yōu)點(diǎn):

1、磁鋼位置未對(duì)準(zhǔn)自動(dòng)補(bǔ)償；

2、故障檢測功能；

3、非接觸位置檢測功能，是滿足苛刻環(huán)境應(yīng)用需求的理想選擇。

應(yīng)用領(lǐng)域:

1、工業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械建筑設(shè)備、石化設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、航空航天儀器儀表、國防工業(yè)等旋轉(zhuǎn)速度和角度的測量.

2、汽車電子腳踩油門角位移,方向盤位置,座椅位置,前大燈位置;

3、自動(dòng)化機(jī)器人,運(yùn)動(dòng)控制,旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和控制.

基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器

傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器采用電位器式位移傳感器，它通過電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器。但是，為實(shí)現(xiàn)測量位移目的而設(shè)計(jì)的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系。電位器式位移傳感器的可動(dòng)電刷與被測物體相連，物體的位移引起電位器移動(dòng)端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器由于其電刷移動(dòng)時(shí)電阻以匝電阻為階梯變化，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統(tǒng)中用作位移反饋元件的時(shí)，則過大的階躍電壓會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。因此在電位器的制作中應(yīng)盡量減小每匝的電阻值。同時(shí)，電位器式傳感器的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差，從而導(dǎo)致測量精度的下降。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號(hào)大，使用方便，價(jià)格低廉。

基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器以磁場為傳輸載體，將位移變換轉(zhuǎn)換為磁場角度位移，同時(shí)，通過通信接口將位移信號(hào)返回給應(yīng)用系統(tǒng)。

基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器的功能是將拉線的機(jī)械位移換成可以計(jì)量、記錄或傳送的電信號(hào)，主要由自動(dòng)回復(fù)彈簧、輪轂、磁鐵以及數(shù)據(jù)處理單元等部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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由圖2可以看出，該基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器主要由6部分組成，改變傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器接觸式、易磨損、高頻特性差等缺點(diǎn)，基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器以磁場為媒介，將機(jī)械位移變化轉(zhuǎn)化為磁場角度變化，一方面解決傳統(tǒng)拉線位移傳感器的接觸方式，另一方面減少了磨損、提高了系統(tǒng)高頻特性，從而確保位移檢測精度。數(shù)據(jù)處理運(yùn)算器，用于對(duì)接收到的磁敏角度信號(hào)通過數(shù)學(xué)模型運(yùn)算為拉線的位移信號(hào)。通信接口，通過通信接口與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行通信，接收來自應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備的命令并將采集到的位移信號(hào)反饋給應(yīng)用系統(tǒng)。從而提高了數(shù)據(jù)采集精度、穩(wěn)定性和可靠性，降低了位移傳感器的應(yīng)用門檻。

各個(gè)部件功能描述如下：

1、拉線的鋼繩纏繞在輪轂上，輪轂與一個(gè)磁鐵連接在一起，當(dāng)拉線產(chǎn)生位移的時(shí)候，帶動(dòng)輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)，輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)造成與輪轂的軸連接的磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，從而磁鐵的磁場產(chǎn)生一個(gè)變化的角度。拉線運(yùn)動(dòng)發(fā)生的時(shí)候，自動(dòng)回復(fù)彈簧確保拉線具備一定的張力，確保拉線的位移與磁敏角度的比例關(guān)系。

2、磁敏角度感應(yīng)器與磁鐵安裝在同一中心軸，用來感應(yīng)磁鐵角度的變化，選用一種微處理器，該處理器讀取磁敏角度信息，并通過建立數(shù)學(xué)模型，將磁敏角度運(yùn)算為拉線的位移。

3、通訊接口，微處理器通過通信接口接收來自應(yīng)用系統(tǒng)的命令并將位移信息通過通信接口返回給應(yīng)用系統(tǒng)。

硬件接口電路

數(shù)據(jù)處理單元由磁敏角度感應(yīng)器、微處理器單元、通信接口以及輸出模塊，具體的功能框如圖所示。

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通過分析，磁敏角度感應(yīng)器將拉線位移所導(dǎo)致的磁鐵磁場轉(zhuǎn)動(dòng)的角度轉(zhuǎn)換為磁敏角度。微處理器單元選用32位嵌入式ARM用于對(duì)接收到的磁敏角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成磁敏角度數(shù)據(jù)的接收，由于接收到的是磁場轉(zhuǎn)換的角度，所以通過建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合輪轂的直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線的位移。

電容式角位移傳感器

電容式角位移傳感器用于測量固定部件(定子)與轉(zhuǎn)動(dòng)部件(轉(zhuǎn)子)之間的旋轉(zhuǎn)角度，因其具有結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，靈敏度高，適合動(dòng)態(tài)測量等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制。

一般來說，電容式角位移傳感器由一組或若干組扇形固定極板和轉(zhuǎn)動(dòng)極板組成，為保證傳感器的精度和靈敏度，同時(shí)避免因環(huán)境溫度等因素的改變導(dǎo)致介電常數(shù)、極板形狀等的間接變化，進(jìn)而對(duì)傳感器性能產(chǎn)生不利影響，對(duì)傳感器的制作材料、加工工藝以及安裝精度提出了較高要求，為了克服電容角位移傳感器的局限性，國內(nèi)外科學(xué)工作者進(jìn)行了長期的大量研究工作，其主要思想方法是將傳感器設(shè)計(jì)成差動(dòng)結(jié)構(gòu)。

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傳感器系統(tǒng)原理框圖如圖所示：

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由敏感元件、測量電路、智能部件與接口部件構(gòu)成，敏感元件的結(jié)構(gòu)所示如圖1，測量部件由選擇單元、激勵(lì)源和電荷檢測單元組成;智能部件由I/O單元、A/D單元、濾波單元、角度計(jì)算單元等組成;接口部件由電流輸出單元、RS232通訊單元等組成。

敏感元件檢測反映角度位置的電容值，是傳感器的初始轉(zhuǎn)換單元，測量單元采用了先進(jìn)的抗雜散微小電容檢測電路，將電容值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，智能部件的主要功能是通過比例式算法計(jì)算出角位移量，最后由接口部件輸出角度計(jì)算結(jié)果。

傾角傳感器

傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測量，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(duì)于水平面的傾角變化量。

傾角傳感器基本原理

理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。如果初速度已知，就可以通過積分計(jì)算出線速度，進(jìn)而可以計(jì)算出直線位移。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。

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隨著MEMS 技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器件在過去的幾年中成為最成功,應(yīng)用最廣泛的微機(jī)電系統(tǒng)器件之一，而微加速度計(jì)就是慣性傳感器件的杰出代表。作為最成熟的慣性傳感器應(yīng)用，現(xiàn)在的MEMS 加速度計(jì)有非常高的集成度，即傳感系統(tǒng)與接口線路集成在一個(gè)芯片上。

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傾角傳感器把MCU，MEMS加速度計(jì)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通訊單元全都集成在一塊非常小的電路板上面?？梢灾苯虞敵鼋嵌鹊葍A斜數(shù)據(jù)，讓人們更方便的使用它。

其特點(diǎn)是：硅微機(jī)械傳感器測量(MEMS)以水平面為參面的雙軸傾角變化。輸出角度以水準(zhǔn)面為參考，基準(zhǔn)面可被再次校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)方式輸出，接口形式包括RS232、RS485和可定制等多種方式?？雇饨珉姶鸥蓴_能力強(qiáng)。

傾角傳感器的分類

“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)，其由擺錘、擺線、支架組成，擺錘受重力G和擺拉力T的作用，如應(yīng)變式傾角傳感器就基于此原理。

“液體擺”式慣性器件

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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。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。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?！皻怏w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。

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)的唯一運(yùn)動(dòng)體，它的質(zhì)量較小，在大沖擊或高過載時(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

角度傳感器的選擇標(biāo)準(zhǔn)

1、頻率響應(yīng)特性

角度傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。

傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號(hào)的頻率較低。

在動(dòng)態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。

2、靈敏度的選擇

通常，在角度傳感器的線性范圍內(nèi)，希望角度傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的廠擾信號(hào)。

傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

3、穩(wěn)定性

傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

另外，在選擇角度傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。

4、線性范圍

角度傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。

但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測量帶來極大的方便。

角度傳感器的好壞并非單一因素決定的。簡單說來并不是越靈敏越好，或是越穩(wěn)定越好。這些都是多方面的考慮。綜合自身的要求去選擇適合自己的傳感器才是最好的。

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