行業(yè)知識(shí) | 細(xì)微的傾斜角度都能被察覺(jué)，傾角傳感器的原理是什么？

傾角傳感器又稱(chēng)作傾斜儀、測(cè)斜儀、水平儀、傾角計(jì)，經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平角度變化測(cè)量，是一種非常精確的測(cè)量小角度的檢測(cè)工具，用它可測(cè)量被測(cè)平面相對(duì)于水平位置的傾斜度、兩部件相互平行度和垂直度；已成為橋梁架設(shè)、鐵路鋪設(shè)、土木工程、石油鉆井、航空航海、工業(yè)自動(dòng)化、智能平臺(tái)、機(jī)械加工等領(lǐng)域不可缺少的重要測(cè)量工具。

基礎(chǔ)原理

牛頓第二定律

根據(jù)牛頓第二定律基本的物理原理，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(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。

隨著自動(dòng)化和電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，傾角傳感器的種類(lèi)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，接下來(lái)小明就來(lái)分別介紹一下他們的工作原理。

①固體擺

這是一種在設(shè)計(jì)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(cè)量時(shí)，可以認(rèn)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

它的結(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。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。

③氣體擺

“氣體擺”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。

氣體擺式檢測(cè)器件的核心敏感元件為熱線。電流流過(guò)熱線，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?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)，如左上圖所示，熱線處于同一水平面上，上升氣流穿過(guò)它們的速度相同，即V1=V1，這時(shí)，氣流對(duì)熱線的影響相同，流過(guò)熱線的電流也相同，電橋平衡。當(dāng)密閉腔體傾斜時(shí)，熱線相對(duì)水平面的高度發(fā)生了變化。

如右圖所示，密閉腔體中氣體的流動(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。若忽略氣體上升過(guò)程中克服重力的能量損失，則穿過(guò)上部熱線的氣流已經(jīng)與下部熱線的產(chǎn)生熱交換，使穿過(guò)兩根熱線時(shí)的氣流速度不同，這時(shí)V2>V2，因此流過(guò)兩根熱線的電流也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，所以電橋失去平衡，輸出對(duì)應(yīng)傾斜角度的電信號(hào)。

分析對(duì)比

固、液、氣體擺性能差異

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固體擺和氣體擺之間，其系統(tǒng)穩(wěn)定，在高精度系統(tǒng)中，應(yīng)用較為廣泛。

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