倾角传感器工作原理 倾角传感器 倾角传感器-基本原理,倾角传感器-发展历史

倾角传感器经常用于系统的水平测量,从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器,倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。

倾角传感器_倾角传感器 -基本原理

理论基础就是牛顿第二定律,根据基本的物理原理,在一个系统内部,速度是无法测量的,但却可以测量其加速度。如果初速度已知,就可以通过积分计算出线速度,进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。
当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用,那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。
随着MEMS技术的发展,惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一,而微加速度计(microaccelerometer)就是惯性传感器件的杰出代表。作为最成熟的惯性传感器应用,现在的MEMS加速度计有非常高的集成度,即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。
倾角传感器把MCU,MEMS加速度计,模数转换电路,通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。可以直接输出角度等倾斜数据,让人们更方便的使用它。
其特点是:硅微机械传感器测量(MEMS)以水平面为参面的双轴倾角变化。输出角度以水准面为参考,基准面可被再次校准。数据方式输出,接口形式包括RS232、RS485和可定制等多种方式。抗外界电磁干扰能力强。
承受冲击振动10000G。

倾角传感器_倾角传感器 -发展历史


随着MEMS技术的发展,惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一,而微加速度计(microaccelerometer)就是惯性传感器件的杰出代表。作为最成熟的惯性传感器应用,现在的MEMS加速度计有非常高的集成度,即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。

倾角传感器 把MCU,MEMS加速度计,模数转换电路,通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。可以直接输出角度等倾斜数据,让人们更方便的使用它。

倾角传感器_倾角传感器 -“固体摆”式惯性器件

固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统,如图1所示,其由摆锤、摆线、支架组成,摆锤受重力G和摆拉力T的作用,其合外力F为:
(1)其中,θ为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时,可以认为F与θ成线性关系。如应变式倾角传感器就基于此原理。

倾角传感器_倾角传感器 -“液体摆”式惯性器件


液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液,并有三根铂电极和外部相连接,三根倾角传感器


倾角传感器

电极相互平行且间距相等,如图2所示。当壳体水平时,电极插入导电液的深度相同。如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时,电极之间会形成离子电流,两根电极之间的液体相当于两个电阻RI和RIII。若液体摆水平时,则RI=RIII。当玻璃壳体倾斜时,电极间的导电液不相等,三根电极浸入液体的深度也发生变化,但中间电极浸入深度基本保持不变。如图3所示,左边电极浸入深度小,则导电液减少,导电的离子数减少,电阻RI增大,相对极则导电液增加,导电的离子数增加,而使电阻RIII减少,即RI>RIII。反之,若倾斜方向相反,则RI<RIII。在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化,从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。在实用中除此类型外,还有在电解质溶液中留下一气泡,当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆”。

倾角传感器_倾角传感器 -“气体摆”式惯性器件

气体在受热时受到浮升力的作用,如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一样,热气流总是力图保持在铅垂方向上,因此也具有摆的特性。“气体摆”式惯性元件由密闭腔体、气体和热线组成。当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体受到加速度的作用时,热线的阻值发生变化,并且热线阻值的变化是角度q或加速度的函数,因而也具有摆的效应。其中热线阻值的变化是气体与热线之间的能量交换引起的。

倾角传感器工作原理 倾角传感器 倾角传感器-基本原理,倾角传感器-发展历史

“气体摆”式惯性器件的敏感机理基于密闭腔体中的能量传递,在密闭腔体中有气体和热线,热线是唯一的热源。当装置通电时,对气体加热。在热线能量交换中对流是主要形式。

对流传热的方程为:(2)

其中:h―热量传递系数(w/m2×k),s―热线表面积(m2),TH―热线温度(K),TA―气体温度(K)。

热量传递系数h与流体的热传导率、动力学粘度、流体速度和热线直径有关,表示为:(3)

其中:Nu为―努塞尔(Nusselt)数,l―热传导率(W/mK),Re―雷诺(Reynold)数,U―流体速度(m2/s),D―热线的直径(m),n―流体的动力学粘度。

当气流以速度U垂直穿过热线时,(4)

将(4)式代入(3)式得:(5)

根据热平衡方程可得:

所以:(6)

假设和s为常数,则有:(7)

从式(7)可以看出,当流体的动力学粘度、密度和热传导特性一定时,若热线周围流体的速度不同,则流过热线的电流也不同,从而引起热线两端的电压也产生相应的变化。气体摆式惯性器件就是根据一原理研制的。

气体摆式检测器件的核心敏感元件为热线。电流流过热线,热线产生热量,使热线保持一定的温度。热线的温度高于它周围气体的温度,动能增加,所以气体向上流动。在平衡状态时,如图4(a)所示,热线处于同一水平面上,上升气流穿过它们的速度相同,即V1=V1′,这时,气流对热线的影响相同,由式(7)可知,流过热线的电流也相同,电桥平衡。当密闭腔体倾斜时,热线相对水平面的高度发生了变化,如图4(b)所示,因为密闭腔体中气体的流动是连续的,所以热气流在向上运动的过程中,依次经过下部和上部的热线。若忽略气体上升过程中克服重力的能量损失,则穿过上部热线的气流已经与下部热线的产生热交换,使穿过两根热线时的气流速度不同,这时V2¢>V2,因此流过两根热线的电流也会发生相应的变化,所以电桥失去平衡,输出一个电信号。倾斜角度不同,输出的电信号也不同。

倾角传感器_倾角传感器 -固、液、气体摆性能比

就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言,它们各有所长。在重力场中,固体摆的敏感质量是摆锤质量,液体摆的敏感质量是电解液,而气体摆的敏感质量是气体。

气体是密封腔体内的唯一运动体,它的质量较小,在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小,所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体运动控制较为复杂,影响其运动的因素较多,其精度无法达到军用武器系统的要求。

固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心,其机理基本上与加速度传感器相同。在实用中产品类型较多如电磁摆式,其产品测量范围、精度及抗过载能力较高,在武器系统中应用也较为广泛。

液体摆倾角传感器介于两者之间,但系统稳定,在高精度系统中,应用较为广泛,且国内外产品多为此类。

倾角传感器_倾角传感器 -典型应用场合

角度测量,水平调整,零位调整倾角开关(十二路开关信号),

安全控制,监控,报警机械臂,大坝,建筑,桥梁角度测量

对准控制,弯曲控制。初始位置控制,倾角姿态记录仪汽车四轮定位

倾角传感器_倾角传感器 -倾角传感器应用特点

可以调节输出频率,内置零位调整,可以根据要求定制零位调整按钮,从而实现在一定的角度置零的功能。这对于要测量相对倾角的场合非常有用。使用完毕后可以重新回归零位。倾角传感器在这种场合使用,只要将传感器固定在一定的平面,测量前使用零位按钮实现清零功能,传感器在此之后读出来的数据就是相对于该平面的相对倾角。

滤波功能:
当要求输出比较稳定时,建议使用比较平缓的输出,以使输出的值趋向平和,而变化不至于太剧烈。如果要求非常及时的输出,比如在测量有较高频率的振动的场合,可以使用高频输出,不过,输出会因为响应时间非常短而不稳定。同时,可以使用内部滤波功能,以实现在振动场合测量倾角的目标。
全量程倾角测量:
通过双轴的配合,可以实现360度倾角的测量。目前产品已经非常稳定。在一些需要进行全量程倾角测量的场合,选择360度产品是比较理想的。

倾角传感器_倾角传感器 -倾角传感器安装技巧

一般情况下,我们在安装倾角传感器的时候需要确定好正确的安装位置,安装的角度应该根据要求360度可以自行设定。对于微小角度的测量也需要看环境的问题,有时候会影响测量效果。

倾角传感器是姿态传感器的一种,主要应用在物体状态的水平检测,同样他具备测量角度的大小。目前倾角传感器主要分为几个大类,有单轴倾角传感器和双轴倾角传感器,以及利用倾角传感器原理制作而成的倾角仪。

倾角传感器在安装的时候是有一定的技巧,一般的倾角传感器都会有内置零位调整,所以用户可以根据要求定制零位调整按钮,从而实现在一定的角度置零的功能。在倾角传感器的安装之前,需要确定你的安装位置和你需要测量什么角度是相对于哪个平面,例如在相对某个平面的角度,安装时只要将传感器固定在一定的平面,测量前使用零位按钮实现清零功能,这样主要是方便读取角度,减少不必要的误差。

倾角传感器_倾角传感器 -安装注意事项

在安装传感器时,不正确安装会导致测量角度误差大。要保证‘两面’和‘两线’的正确安装,安装时请注意以下两点:

1、‘两面’指传感器安装面与被测物体的安装面完全紧靠(被测物体的安装面要尽可能水平),不能有夹角产生(如A图中的角a)。正确安装方式如B图。

2、‘两线’指传感器轴线与被测面轴线平行,两轴线不能有夹角产生(如C图中的角b),正确的安装方式如D图。


倾角传感器安装注意事项

  

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