（物理电子学专业论文）气体摆式倾角传感器的敏感机理及影响性能的关键因素研究.pdf

摘要 摘要 气体摆式倾角传感器的原理是利用自然对流气体在密闭腔体中的 “摆 特性研制成的，其关键敏感结构由密闭腔体及其内部的热敏丝构 成。由于没有摆动质量块，而且气体的质量也很小，所以气体摆式倾角 传感器具有很强的抗振动和冲击能力，在许多领域都得到了广泛的应用。 但是，目前气体摆式倾角传感器的设计制作主要是建立在实验基础上， 器件的理论研究仍处于探索阶段。例如，对于密闭腔体内的流场与输出 特性的关系、热源的辐射效应对传感器输出特性的影响和灵敏度要求较 高条件下的温度漂移补偿问题等，都有待深入的研究和探讨。本文针对 上述一些基本问题，主要开展了如下工作： 首先，分析了气体摆式倾角传感器密闭腔体内的流场特性参数与传 感器输出特性的关系。通过建立控制方程、给定边界条件，运用有限元 法对密闭腔体中的气体的流动进行了数值计算，并利用数值计算结果定 量分析了气体摆式倾角传感器密闭腔体内的流场特性参数与传感器输出 特性的关系。同时还探讨了不同敏感结构的输出特性，讨论了不同敏感 结构对传感器性能的影响。 其次，理论分析了气体摆式倾角传感器密闭腔体内的传热问题。由 于传热过程的不同，传热机制各异，本文根据不同的传热机制建立了物 理模型，并根据物理模型分别计算了密闭腔体的传导、对流和辐射换热。 计算结果表明：密闭腔体的辐射非常小，在进行传热分析时可以忽略不 计。密闭腔体的导热换热量与对流换热量相当，在进行传热分析时，可 通过导热换热进行简化分析。 然后，本文讨论了输出电压温度漂移的补偿问题。由于气体摆式倾 角传感器受环境温度的影响较大，是影响其性能的关键因素之一，本文 着重讨论了如何消除环境温度的影响。通过数值计算，研究了环境温度 变化时腔体内流场的变化，理论分析了腔内流场变化对传感器性能的影 响，根据流体力学的相似性原理，提出减小输出电压温度漂移的补偿方 案；开展了原理性试验研究，论证了补偿方案的可行性；最后通过补偿 电路的设计，验证了此方法的有效性，结果表明，加入补偿电路后，输 出电压温度漂移减小至少达7 0 。 另外，本文对传感器的检测电路进行了改进，并根据改进的电路， 对传感器的结构进行了优化。采用单片机对敏感电路进行数字放大和滤 波，略去原来的放大和滤波电路，提高了产品稳定性，减小了零位漂移， 摘要 并且大大减小了传感器的体积，降低了成本。最后，对调试好的传感器 进行了常温输出信号的电性能测试和环境温度实验，实验结果表明，产 品达到了设计要求，具有很高的可靠性。 全文以气体摆式倾角传感器密闭腔体中气体形成的对流场为主线， 在数值仿真计算的基础上，理论分析了影响传感器性能的关键因素，分 析了气体摆式倾角传感器的敏感机理。以流动相似性原理为依据，提出 输出电压温度漂移的主动补偿方法。主要创新点包括： 1 ) 建立了检测电路电桥输出电压随密闭腔体内自然对流场温度及速 度的变化关系，定量分析了气体摆式倾角传感器输出性能与密闭腔体内 自然对流场温度及速度的关系。研究表明，对于单一热源的气体摆式倾 角传感器，温度场对热敏丝电阻的影响远大于速度场对热敏丝电阻的影 响，说明点热源所形成的温度场对气体摆式倾角传感器敏感倾角起了决 定性的作用，为深入分析气体摆式倾角传感器敏感机理提供了理论依据； 2 ) 建立了气体摆式倾角传感器密闭腔体内的传热分析模型，根据模 型首次定量计算了密闭腔体中对流、传导和热辐射换热。得到如下结论： 腔体中的热辐射可以忽略，导热换热量与对流换热量相当。因此，在气 体摆式倾角传感器的性能分析中，可以不计密闭腔体中热源的辐射效应； 3 ) 根据流动相似理论，提出了消除环境温度影响的输出电压温度漂 移补偿新方法，并进行了可行性的验证，最后通过电路设计和试验，说 明了此方法的有效性。 关键词：倾角传感器；气体摆；自然对流；流动相似；补偿方法；温度 漂移 u s t u d yo ns e n s i n gm e c h a n i s m0 fg a s p e n d u l u mt i i js e n s o ra n dt h ek e y f a c t o r so fa f f e c t i n gi t sp r o p e r t y a bs t r a c t g a sp e n d u l u mt i l ts e n s o rw a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dd u et ot h e “p e n d u l u m c h a r a c t e r i s t i co fn a t u r a l c o n v e c t i o ni nah e r m e t i cc h a m b e r b e c a u s et h em a s so fg a si ss m a l la n dt h e r ei sn op r o o fm a s s ，t h eg a s p e n d u l u mt i l t s e n s o rh a sl a r g e - s c a l ea p p l i c a t i o n sf o ri t sc h a r a c t e r i s t i co f r e s i s t i n go s c i l l a t i o na n ds h o c k b u tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h eg a s p e n d u l u mt i l ts e n s o rw a sb a s e do nt h ee x p e r i m e n t s ，t h e r en e e d sf u r t h e rs t u d y i nt h e o r y f o re x a m p l e ，t h ee f f e c t so fn a t u r a lc o n v e c t i o na n dh e a tr a d i a t i o ni n t h eh e r m e t i cc a m b e ro nt h eo u t p u tc h a r a e t e r i s t i c so ft h es e n s o ra r es t i l lo p e n p r o b l e m s a i m i n ga tt h ea b o v ep r o b l e m s ，t h ef o l l o w i n gs t u d i e sa r ec o n d u c t e d i nt h i sp a p e r ： f i r s to fa 1 1 t h em e c h a n i s mo ft i l ts e n s o ri sa n a l y z e da n dd i f f e r e n t o u t p u tc h a r a c t e r i s t i e s o fs e v e r a ls e n s i n gs t r u c t u r e so fs u c hs e n s o r sa r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fc o n t r o le q u a t i o n sa n d b o u n d a r yc o n d i t i o n s t h en a t u r a l c o n v e c t i o ni nt h eh e r m e t i cc h a m b e ri s s i m u l a t e d b a s e do nt h e s er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n s ，t h es e n s i n gm e c h a n i s m o ft h eg a sp e n d u l u mf l i ts e n s o ri s a n a l y z e d a n dt h e nd i f f e r e n to u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a ls e n s i n gs t r u c t u r e so fs u c hs e n s o r sa r ea n a t o m i z e d s e c o n d l y , h e a tt r a n s f e rp r o b l e m so fg a sp e n d u l u mt i l t s e n s o ra r e a n a l y z e d i n t h e o r y a c c o r d i n g t od i f f e r e n tm e c h a n i s m so fc o n d u c t i o n ， c o n v e c t i o na n dr a d i c a l i z a t i o nh e a tt r a n s f e r , r e l e v a n tp h y s i c a lm o d e l sa r e e s t a b l i s h e df o rt h eh e a tt r a n s f e ro ft h es e n s i n go r g a n b a s e do nt h e s em o d e l s ， t h eh e a tt r a n s f e r so fc o n d u c t i o n ，c o n v e c t i o na n dr a d i c a l i z a t i o no ft h es e n s i n g o r g a ni nt h eh e r m e t i cc h a m b e ra r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t r a d i c a l i z a t i o no ft h es e n s i n go r g a ni nt h eh e r m e t i cc h a m b e ri sv e r ys m a l la n d c a nb en e g l e c t e df o rt h ea n a l y s i so fh e a tt r a n s f e r h e a tc o n d u c t i o ni nt h e h e r m e t i cc h a m b e ri se q u a lt oh e a tc o n v e c t i o n ；s os i m p l i f i e dh e a tt r a n s f e r a n a l y s i sc a nb em a d eb ya n a l y s i so fh e a tc o n d u c t i o nf o rt h eh e a tt r a n s f e r 1 1 1 a b s t r a c t a n a l y s i si nt h eh e r m e t i cc h a m b e ro fs u c has e n s o n w h e r e a t t e r , t h ec o m p e n s a t i n gm e t h o do fs e n s i t i v i t yt e m p e r a t u r ed r i f t w a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e na sw e l lk n o w n ，t h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r ei ss t r o n go nt h ep r o p e r t yo fg a sp e n d u l u mt i l ts e n s o r , a n di st h e k e yf a c t o rf o ri t sp r o p e r t y h o wt oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r ei s a no p e np r o b l e mf o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fg a s p e n d u l u mt i l ts e n s o r a c c o r d i n gt of l o ws i m i l a r i t y , aa c t i v ec o m p e n s a t i n g m e t h o do f e l i m i n a t i n gs e n s i t i v i t yt e m p e r a t u r ed r i f tw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r ， a n dt h e nt h ef e a s i b i l i t ys t u d yo fs u c ham e t h o di sc o n d u c t e db ye x p e r i m e n t s c o m p e n s a t i n gc i r c u i t r i e si sd e s i g n e df o rt h i sa c t i v ec o m p e n s a t i n gm e t h o d ， a n dt h ea d v a n t a g eo fs u c ham e t h o dw a sv a l i d a t e d e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h a t s e n s i t i v i t yt e m p e r a t u r ed r i i ti sm i n i s h e db y7 0 b e c a u s eo ft h e i n t r o d u c t i o no ft h ec o m p e n s a t i n gc i r c u i t r i e s o t h e r w i s e ，d e t e c t i n gc i r c u i t r i e so ft h eg a sp e n d u l u mt i l t s e n s o ra r e a l s oo p t i m i z e di nt h i sa r t i c l e s c ms u b s t i t u t e sf o rc i r c u i t r i e so f a m p l i f i e ra n d f i l t e r a n dd i g i t a la m p l i f i e ra n df i l t e rw a si n t r o d u c e di nt h ed e t e c t i n g c i r c u i t r i e s s t a b i l i t yo fp r o d u c ti si m p r o v e d ；z e r od r i t ti sr e d u c e d ，v o l u m ei s m i n i s h e d ，c o s ti sl o w i nt h ee n d ，t h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c et e s t i n ga tn o r m a l t e m p e r a t u r ea n de n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r et e s t i n go nc o m p l e t e ds e n s o rh a s b e e nf i n i s h e d t h er e s u l t so ft e s t i n ga r es a t i s f i e dw i t ht h ed e m a n do ft h e d e s i g n a sm a s t e r s t r o k ea n dl i n k e rn a t u r a lc o n v e c t i o ni nh e r m e t i cc h a m b e r w a ss t u d i e d b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fe f f e c t s o ft h ek e yf a c t o r so nt h ep r o p e r t yo ft h es e n s o rw a sc o n d u c t e d ；g a sp e n d u l u m t i l ts e n a o r sm e c h a n i s mi se x p l a i n e d a c c o r d i n gt ot h ef l o ws i m i l a r i t y , t h e c o m p e n s a t i n g m e t h o do f e l i m i n a t i n gs e n s i t i v i t yt e m p e r a t u r ed r i f tw a s p r o p o s e d t h em a i ni n n o v a t i v ev i e w si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t p u tp r o p e r t yo ft h et i l ts e n s o ra n d t h et e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yo ft h en a t u r a lc o n v e c t i o ni n t h eh e r m e t i c c h a m b e rw a sf i r s te s t a b l i s h e da n ds t u d i e dq u a n t i f i c a t i o n a l l y r e s u l t ss h o w t h a tt h ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo nt h eo u t p u tp r o p e r t yi sf a rl a r g e rt h a nt h a to f v e l o c i t yi ng a sp e n d u l u mt i l ts e n s o rw i t has i n g l eh e a ts o u r c e ( 2 ) f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ep h y s i c a lm o d e l so fh e a tt r a n s f e ra n a l y s i so f t h eh e r m e t i cc h a m b e ro fg a sp e n d u l u mt i l ts e n s o ra r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt o i v a b s t r a c t t h ed i f f e r e n th e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m t h ec o n d u c t i o n ，h e a tc o n v e c t i o na n d h e a tr a d i a t i o ni nt h eh e r m e t i cc h a m b e ra r ea n a l y s e dq u a n t i f i c a t i o n a l ly r e s u l t s s h o wt h a tt h eh e a tr a d i a t i o nc a nb ec a n c e l e di nt h ea n a l y s i so fo u t p u tp r o p e r t y ( 3 ) a c c o r d i n gt of l o ws i m i l a r i t y , aa c t i v ec o m p e n s a t i n gm e t h o do f e l i m i n a t i n gs e n s i t i v i t yt e m p e r a t u r ed r i f tw a sp r o p o s e d ，a n dt h e nt h ef e a s i b i l i t y s t u d yo fs u c h am e t h o di sc o n d u c t e db ye x p e r i m e n t s c o m p e n s a t i n g c i r c u i t r i e si sd e s i g n e df o rt h i sa c t i v ec o m p e n s a t i n gm e t h o d ，a n dt h ea d v a n t a g e o fs u c ham e t h o dw a sv a l i d a t e d k e yw o r d s ：t i l ts e n s o r ；g a sp e n d u l u m ；n a t u r a lc o n v e c t i o n ；f l o w s i m i l a r i t y ；c o m p e n s a t i n gm e t h o d ；t e m p e r a t u r ed r i f t v 符口说明 符号说明 摆锤所受重力； 摆拉力； 合外力； 夹角； 应变梁下摆锤重量； 应变梁材料的弹性模量； 梁的夹角； 梁的厚度； 振弦的固有振动频率； 振弦的长度； 等效质量； 振弦的等效电感； 振弦的等效电容； 未受热气体的密度； 重力加速度； 自然对流气体驱动力； 气体比力； 气体的绝对加速度； 气体上的引力加速度： 膨胀系数； 流体比容； 固体块的绝对加速度； 固体比力； 线性系数： 乃温度时的零位电压； 参考电压值； 传感器灵敏度； 死温度时的灵敏度； 放大电路的放大倍数； 负温度系数热敏电阻； 正温度系数热敏电阻； 转换的二进制位数； i x gf矽矿e 厂h而， m厶c腑g咚“、铀届口足硒4肌肥n 符寸说i w 传感器前置检测电路输出电压； 传感器零位电压； 传感器灵敏度补偿系数； 传感器线性度补偿基值； 流体速度； 流体压力； 流体的密度； 应力张量； 热通量密度； 流量； 流体比内能； 浓度： 第一粘性系数； 第二粘性系数； 体积粘性系数： 温度； 耗散函数； 质量力； 特征长度； 特征速度； 动态粘滞系数； 热扩散系数； 热源温度； 环境温度： 定压比热； 导热系数； 参考点的压强； 动力学压强； 无量纲压强； 格勒射夫数； 普朗特数； 雷诺数； 斯特劳哈数； 马赫数； 气体边界上的温度； x 厨风一v 尸 p 町卯q e c 2 f r 甲 z 三 d 口乃死 勺七 附肌只研n k 乳 符号说明 ，2 r 尺1 尺2 h s n u d 虼 g p t q 彳 乙 盯 弓 j i q t i 瓦 r a r a n u n u ( n 汀+ l o ) 磁 嘘 p 固体边界温度； 参考温度为r o 时的电阻； 参考温度为r o 时的温度系数： 热敏丝温度z 的电阻； 热敏丝温度瓦的电阻； 热传递系数； 热敏丝表面积； 努塞尔数； 热丝直径； 电桥电路的供电电压； 电桥电路的输出电压； f 表面的投入辐射； f 表面反射率； f 表面黑度； i 表面吸收率； 物体的表面积； 固体壁面温度； 参考尺寸； 斯忒藩一玻尔兹曼常量； 角系数； i 表面的有效辐射； 4 f 到达a ，的总辐射热流； f 表面黑体本身的辐射力； 有效导热系数； 瑞利数； 关键瑞利数： 努赛尔数； 平均努赛尔数； 热传导形状因子； 环境温度为r 时的总电阻； 环境温度为r + 1 0 时的总电阻； 补偿前的最大温度漂移； 补偿后的最大温度漂移； 温度漂移减少量的百分比。 x i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： 磊p g 弧垒 本人签名： 乙p g 基立 本人承担一切相关责任。 日期：笙：窆盏! 盟! 丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：墨坚芝 z ， 导师签名：j 墨0 套豇毒卜 日期：! ! ：! ：! 垒 一 日期：兰芝! 窆冬! 厦! 曼笪 第一章概述 第一章概述弟一早僦尬 目前人类已经进入信息量r 益剧增的信息爆炸的时代，现代信息技术在人类发展 进程中起着越来越重要的作用，仅凭着自然赋予人类的智慧去处理这些信息是无法胜 任的。依靠电子信息技术，采用软、硬件技术的有机组合，通过计算机将大量的信息 进行处理，进行准确而科学的采集、传输、存储和调用，构成完成某一项或者多项预 定目标的、对信息进行处理的信息技术系统，就可以达到人们要实现的目的。 现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成 了信息技术系统的感官、神经和大脑。传感器技术是信息获取的主要手段，它是综合 物理学、化学、生物工程、微电子学、材料科学、精密机械、微细加工和实验测量等 方面的知识和技术而形成的- - i - j 科学，是信息采集系统的最前端的首要部分。传感系 统提供进行处理和决策所必须的原始信息，在很大程度上影响和和决定整个系统的功 能，是所有现代技术的起点。一些发达国家把传感器技术列为与通信技术和计算机 技术等同位置，但与快速发展的计算机技术和通信技术相比，传感器技术的发展 往往难以满足信息获取的高精度和高速度要求，因而传感器的发展水平直接制约 了相关科学技术的发展，所以发达国家都把传感器技术作为未来科学研究与发展 的重点【1 5 】。 在传感器技术领域，用于载体姿态测量的倾角传感器是传感器中非常重要的 一类。据报道，全球需求量增长最快的十种传感器为【6 】：雨水传感器、浓度传感器、 流质传感器、导航传感器、倾角传感器、光电检测传感器、玻璃破损检测传感器、 生物传感器、磁场传感器以及动力检测传感器。倾角传感器名列第五位，在土木 建筑、水文地质、兵器、航空航天、生物医学等工程技术领域有着广泛的应用， 而随着科学技术的不断向前发展，倾角传感器的应用范围也将会不断被扩宽【7 18 1 。 1 1 倾角传感器 倾角传感器专门用以测量载体倾斜状态的，即用于测量待测物体( 或系统) 相对于标准水平面的倾斜角度。这类传感器因结构不同而其特性各有所长。单就 测量精度而言，不同应用领域的要求差异较大，如要求达到“度水平级，达到 “角分、“角秒 甚至“千分之一角秒水平级等。倾角测量按测量平台是否 存在加速运动，可以分为静态倾角测量和动态倾角测量。 目前用于静态倾角测量之一的是摆式倾角传感器，它是利用重力加速度来工 作的，即所谓“摆 的工作原理，根据“摆在重力场内力图保持其铅垂方向的 特性来设计的。根据“摆动 介质的不同可将其分为固体摆、液体摆和气体摆三 大类，固体摆和液体摆式倾角传感器技术较为成熟，且应用广泛，但容易受到机 第一章概述 械振动和冲击等的外界干扰。 在运动平台存在加速运动时，摆式倾角传感器都难以避免受加速度的干扰， 导致精度大大下降。因此动态倾角测量，通常要依靠陀螺和倾角传感器等的组合 来完成。这种组合形式的倾角传感器常见的有陀螺地平仪和捷联式倾角传感器等。 1 1 1 固体摆式倾角传感器 固体摆式倾角传感器可应用于长时间的静态倾角测量，有很高的精度。但由 于有很“重”的“质量块”，极易受加速度干扰，并且在承受高强度冲击时极易 损坏。 固体摆的设计，脱离不了一定的基本结构，在设计中广泛采用力平衡式伺服系 统，如图1 1 所示。 图1 1 固体摆原理示意图 其由摆线、摆锤、支架组成，摆锤受重力g 和摆拉力瓦的作用，其合外力，为： f = g s i n o = m g s i n 秒 ( 1 1 ) 其中，口为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围测量时，可以认为f 与目成线性关 系。 利用固体摆原理制造的倾角传感器又可分为以下几类：应变式、电位器式、 电感式、振弦式、力平衡式等倾角传感器【1 9 。2 3 】。 1 ) 应变式倾角传感器 应变式倾角传感器的结构原理如图1 2 ( a ) 所示，应变梁下端是摆锤，构成 悬挂式摆。应变梁上对称贴有四片应变片，构成全桥。应变梁周围灌满硅油，形 成阻尼，使摆稳定。电缆引出端充满防水绝缘胶。应变梁如图1 2 ( b ) 所示，在 铅垂方向时，各应变片阻值相等，电桥平衡；若传感器倾斜确，应变梁受力变形， 应变片也随同变形，应变卤倾角目有关系： 占：! 堕堂( 1 - 2 ) - z 占= 一 l e h 2 留( 妥) z 式中，渺为摆锤重量，e 为应变梁材料的弹性模量，y 为梁的夹角，h 为梁的厚度。 2 第一章概述 幽 q | 翌久 | a冬 厂弋1 一一沙 l ( a )( b ) 图1 2 应变式倾角传感器结构示意图 当传感器倾斜时，四个应变片组成的电桥失去平衡，输出电压与应变成正比。 当0 较小时，输出电压与倾角成正比。 应变式倾角传感器具有结构简单、尺寸小、响应迅速等一些优点，但也存在 一些缺点，如在大应变状态具有明显的非线性，测角范围较小( 1 0 ”) 、输出信号 微弱，故抗干扰能力较差。 2 ) 电位器式倾角传感器 电位器式倾角传感器的工作原理如1 3 所示。传感器体中悬挂一摆锤，电位器 r 固定在壳体上，电刷跟摆锤相连。当传感器壳体倾斜时，摆锤由于惯性力图保持 铅垂方向，相对壳体便有倾角伊，与其相连的电刷把电位器r 分成不等的两部分。 这两部分电阻跟控制盒内的精密电位器w 构成惠斯登电桥。调整电位器w 使电桥 平衡，与其相连的刻度盘计数正比于倾斜角。在这种传感器中，- 作为敏感元件的 电位器r 采用金属膜蒸镀或碳素膜以获得连续变化的电阻值，此外采用电刷直接 接触，接触器件由于磨损、腐蚀、灰尘等环境原因，长期使用后，其接触电阻不 可避免地会产生变化和不稳定。所以，这种传感器检测精度会随使用时间的增加 而降低。通常，这类传感器主要用于较大范围角度的测量。 图1 - 3 电位式倾角传感器结构示意图 3 第一章概述 3 ) 电感式倾角传感器 图1 4 为电感式倾角传感器结构示意图。采用一对参数相同的圆柱形铁芯螺管 电感，对称地悬挂在外框架上作为交流电桥的两臂。在水平位置时，摆悬挂在两 电感的中心位置，电桥保持平衡。当传感器外壳倾斜时，摆位置仍保持铅垂方向， 但摆和两电感的间隙必一边增加，另一边减少，电感变化，电桥因此失去平衡， 于是输出和倾斜角度相关的电压信号。这种传感器可获得很高的分辨率。 图l - 4 电感式倾角传感器结构示意图 由于电感式倾角传感器的电输出特性呈非线性，其非线性会随间隙增大而更 大。故这种传感器只能在很小倾角范围内测量，也只有在很小的测量范围内，才 能保证输出的线性，即其测量动态范围小。另外，因需采用交流电桥进行测量， 难免存在交流零位信号，即零点残余电压。这些弱点使其应用受到限制。 4 ) 振弦式倾角传感器 振弦式倾角传感器以张紧的弦线作为敏感器件。当振弦的长度和质量确定后， 振动固有频率只和作用在其上的张力有关，设法将倾角的变化量转换为振弦上张 力的变化量，通过检测振弦频率的变化量来确定倾斜角度。 图1 5 示出了一种振弦式倾角传感器的结构示意图，其中摆锤通过杆、簧片和 外壳相连，并将其浸入硅油中( 硅油作为阻尼剂提高摆锤的稳定性) ，振弦一端与 壳体的壁相连，另一端和短臂相连。靠近振弦处放置一电磁铁，使振弦产生振动， 以输出与倾角相关的电压信号。 振弦的固有振动频率而和张力丁间的关系可由下式决定： ，1 厉1 厉 l 2 万、万2 瓦、i2 荔了亏亏 ( ) 式中，p 是振弦的线密度；，为振弦的长度；k 为弦的刚度系数；m 为等效质量； 厶是振弦的等效电感；c 是振弦的等效电容。 由于固有频率而和张力r 之间是非线性关系，因此输出频率值的非线性度 高达5 6 ，这是此类传感器的主要缺点。而振弦式倾角传感器的最大优点是输 出稳定性好，并且易于和计算机接口。 4 第一章概述 图1 5 振弦式倾角传感器结构示意图 5 ) 力平衡式倾角传感器 力平衡式倾角传感器又称为伺服式倾角传感器。这类传感器具有负反馈环节， 以构成一个闭环系统。利用负反馈技术，一般能提高传感器的静态精度和动态性 能。图1 - 6 是力平衡式倾角传感器的结构示意图。其中m 作为电容c1 、c 2 。的 可动极板，彳，、彳2 是固定的电极板。在彳，、彳2 加上电压后，m 将受一静电 力作用，此静电力和加在彳，、彳2 上的电压成正比。当传感器偏离初始位置时， 重力和静电力的合作用将使m 进入新的位置状态。此时c ，、c 2 间，出现电容 量变化，其变化量4c 和被测角度成正比。经过电容一电压变换器输出和倾角成 正比的电压“。此时，输出电压“经过负反馈环节在彳，a2 上加电压u 使 施加的静电力约等于使m 偏转的惯性力，这使质量块位移量很小，接近为零，使 输出电压为较稳定的值。实际上，力平衡式倾角传感器的工作状态一直处在动态 平衡过程中，输出的电压u 值也是一个动态平衡值。 图1 - 6 力平衡式倾角传感器结构示意图 1 1 2 液体摆式倾角传感器 液体摆式倾角传感器是依靠密闭腔体中液体在重力场下产生流动，利用电容、 电阻或磁阻在不同性质的液体流动时会发生变化来检测出倾角。密闭腔倾斜时， 腔内液体在重力场作用下要流动，流动总是力图保持液面垂直于重力方向，这就 5 第一章概述 是液体的“摆”特性。 液体摆式倾角传感器主要可以分成三类：电解液式、电介液式和磁流体式【2 4 。2 8 】。 1 ) 电介液式倾角传感器 电介液式倾角传感器的原理是利用倾斜时液面发生移动从而引起静电容量的变 化，如图1 7 所示。 介质液体 信号调理电路 图1 7 电介液式倾角传感器 内置的金属腔体分为内外两层，两层之间注入电介质液体，并在上下层之间制作 对称的四对电容极板，这样可构成差动电容，以获得两倍的电容变化，在极板上以聚 四氟乙烯薄膜覆盖，用来隔离极板和电介质液体。腔体一般是铝或铜，用于将电极与 外电场屏蔽。水平时四个电极浸入液体的面积相同，当传感器按x 正方向倾斜时，电 极1 、4 浸在电极的面积减小，电极2 、3 的浸入面积增加。由于电介液体的介电常数 比气体高，电容变化明显，就可测出倾角。当传感器按x 负方向倾斜时，各极板浸入 面积的变化情况则相反。此类传感器的输出特性是由电容极板的形状决定的，使用合 适的极板形状设计，可得到线性的输出。 2 ) 电解液式倾角传感器 电解液式倾角传感器通常采用电解质溶液作为工作液，工作时电极浸入液体的深 度改变导致电极间电阻的改变，从而测量传感器的倾斜角度。该传感器的结构原理示 意图如图1 8 所示。 图1 - 8 电解液式倾角传感器结构原理示意图 在圆形玻璃管中装有工作液，三根铂电极侵入其中，引出接成差动电桥的形式， 当传感器处于水平时，三根电极侵入的深度相同，电桥平衡，输出为零。当传感器倾 6 第一章概述 斜某一角度时，三根电极侵入的深度发生改变，电桥失去平衡，输出一正比该倾角 正弦信号，当倾角很小时，输出与倾角成正比。 3 ) 磁流体式倾角传感器 磁流体是一种可流动的磁性材料，是把粒径为l o n m 左右的强磁性粉末，经表面 活化处理后，成为在液体中高度弥散的胶体溶液。该传感器结构简单、可靠性高、抗 振特性好，量程较大，但灵敏度和精度不高，可广泛用于建筑、机械、医疗器械等领 域，并可对危险倾斜角度进行警报。 1 1 3 气体摆式倾角传感器 针对固体摆和液体摆式传感器的不足，出现了气体摆式倾角传感器。和传统摆式 倾角传感器相比，气体摆式传感器采用气体来做“摆”代替了传统的固体摆和液体摆 的“质量块”，因而有结构简单、制作容易、“质量块”小等特点。 对于固体摆、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。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，该传感器研究比较成熟，且应用广泛，但其易受外界干扰， 如机械振动和冲击。液体摆式倾角传感器虽具有高灵敏度、高精度、耐腐蚀、耐 潮湿等特点，但其致命的缺点是响应时间长会严重影响其工作特性，从而限制了 液体摆式倾角传感器的发展和应用。在气体摆式倾角传感器中，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，并且具有结构简单及成本低等特点，尤其适用 于要求能承受大冲击和振动的测试领域，在成本、抗振动和冲击能力等方面都优于 固体和液体摆器件，不足之处是受环境温度影响较大，解决环境温度影响是此类传 感器的难点。表1 1 列出几种不同工作原理倾角传感器的性能比较。 缠一 测量范围非线性度 工作温度承受冲击响应时间 价格 倾角传感器类型 ( o )( f s )( o c )( g )( m s ) 液体摆式l o c u s 型( 美)：1 ：4 512 0 斗5 52 0 0 3 0 0$ 1 4 8 0 固体摆式s i l i c o n 型( 美)：1 ：4 532 0 ，卜5 52 0 0 0 3 0 0$ 9 8 0 1 6 0 0 0 气体摆式倾角传感器 土4 5 0 1- 4 0 + 5 5 1 0 0 ￥1 5 0 0 ( 实测值) 对倾角传感器的研究，除上述介绍的几类适用于静态倾角测量的传感器外，还有 下面介绍的适用于动态倾角测量的组合式倾角传感器。 7 第一章概述 1 1 4 组合式倾角传感器 1 ) 陀螺地平仪 陀螺地平仪，又称为垂直陀螺仪，它由一个两轴陀螺仪和一个校正器构成， 校正器一般采用摆式传感器。 在测量飞机等运动体的倾斜角时，必须在运动体上建立一基准铅垂线( 或水 平线) 。摆式传感器虽有地垂线方向的选择能力，但受加速度的干扰。陀螺的自转 轴具有很高的方位稳定性，却不能识别垂线或水平线基准。两者单独使用，都会 产生很大误差。可以利用陀螺仪有抗加速度干扰的优良方向稳定性，而摆式传感 器能获得敏感铅垂线的方向选择性，将两者组合在一起，利用摆对陀螺仪的修正 原理，制成精密倾斜传感器。其受加速度的干扰要比通常摆小得多，能够在飞机 等运动体上稳定和精确地检测出铅垂线方向。 2 ) 捷联式倾角传感器 捷联式倾角传感器主要运用于三维运动体的倾角测量及控制。由陀螺、摆式 倾角传感器、方位传感器及计算机组成，是一个较完整的倾角测量系统。它以陀 螺、摆式倾角传感器、方位传感器的输出信号为基础，利用计算机对各种姿态信 息进行快速运算和综合，实时输出物体的全姿态信息：地球坐标系中的方位角、 滚动角、俯仰角信号，运动坐标系在各轴上的角加速度和角速度信号等。 1 2 气体摆式倾角传感器研究现状 1 2 1 气体摆式倾角传感器原理 气体摆式倾角传感器的研究，是从二十世纪九十年代开展起来的。它利用自 然对流气体在密闭腔体中的“摆”特性，制成对加速度或倾角敏感的新型传感器。其 基本结构如图1 - 9 所示，它是一内含气体的密闭腔体，其内有两热敏丝对称地固定 在腔体中，密闭腔体和热敏丝组成了它的关键敏感结构。其基本原理是：水平状 态时，气体在密闭腔中受热源加热，形成稳定的自然对流场。两热敏丝处于场中 等温处，故由热敏丝参与组成的电桥将保持平衡，如图1 - 9 ( a ) 所示。密闭腔体 倾斜时，自然对流气体力图保持在原来的方向( 即具有摆的特性) ，两热敏丝的 几何位置( 在温度场的位置) 相应改变，处于温度场的不同温度点，热敏丝阻值 改变，电桥平衡被打破，如图1 - 9 ( b ) 所示。于是，利用热敏丝相对于对流场位 置的变化，即可得到与倾角成正比的输出信号。 第一章概述 ( b ) 倾斜状态 图1 - 9 气体摆敏感机理示意图 目前，气体摆式传感器的设计制作主要是建立在实验基础上，器件理论的深 入研究仍处于探索阶段。由张福学教授开创的气体摆理论能简明地说明器件的工 作基础【2 9 - 3 6 1 。现简述如下： 密闭腔内的单