倾角传感器原理

1、倾角传感器原理可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物制等多种方式。抗外界电磁干扰能力强。承受冲击振动10000G10000G一、倾角传感器原理经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为固体摆”式、摆三种倾角传感器，下面就它们的工作原理进行介绍。仁固体摆”式惯性器件图1 1ffl 坏棋S3S3示意图理原理，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，进而可以计算岀直线位移。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。

2、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MEMSMEMS技术的发展，惯性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(microacceIerometer(microacceIerometer)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MEMSMEMS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MCUMCU MEMSMEMS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(MEMS以水平面为

3、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RS232RS232、RS485RS485和可定液体摆式、气体固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，如图1 1所示，其由摆锤、摆线、支架组成，摆锤受重力G G和摆拉力T T的作用，其合外力F F为:(1)(1)F=Gsi nU其中，B B为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时，可以认为关系。如应变式倾角传感器就基于此原理。2 2、液体摆”式惯性器件极相互平行且间距相等，如图2 2所示。当壳体水平时，电极插入导电液的深度相同。如果在相当于两个电阻RIRI和RllkRllk若液体摆水平时，则RIRI

4、= = RIIIRIII 0 0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。F F与0 0成线性召二浅年厅原记-示意用液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液,并有三根钳电极和外部相连接，三根电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如图3 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RIRI增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻RIIIRIII减少,即RIRI RIIIRIII 0 0反之，若倾斜方向相反，则RIRI vRIIIvRIII 0 0在液体摆的

5、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岀倾角的液体摆R1R1心Ri心值的变化是气体与热线之间的能量交换引起的。剧3 3罩建为皿诚为方尿尸肓紹3 3、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 q或加速度的函数，因而也具有

6、摆的效应。其中热线阻气体摆”式惯性器件的敏感机理基于密闭腔体中的能量传递，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 2）其中：h h热量传递系数（w/m2Xw/m2X k k） , , s-s-热线表面积（m2m2） , , THTH热线温度（K K） . . TA-TA-气体温度热量传递系数h 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)(3)R.jV-uD其中：NuNu为一努塞尔（NusseltNusselt）数，I I热传导率（W/mKW/mK , , ReRe雷诺（ReynReyn oldold）

7、数，U U流体速当气流以速度U U垂直穿过热线时，=2,4=2,4 + + L6/f/L6/f/心(4)(4)将（4 4）式代入（3 3）式得；（5 5）在密闭腔体中有气体和度（m2/sm2/s） ,D,D热线的直径（m m）小流体的动力学粘度。卉三仝玄4+1D(5人根据热平衡方程可得:所以：(6)(6)假设和S S为常数，则有：(7)(7)从式(刀 可以看岀，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。体摆式惯性器件就是根据一原理研制的。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

8、线的产生热交换，使穿过两根热线二S亠I血他严芯DV V彳&十3 3严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 动能增一定的温度。热线的温度高于它周围气体的温度，加，所以气体向上流动。在平衡状 上升气流穿过它态时，如图4 4 (a)(a)所示，热线处于同一水平面上,们的速度相同,即V1V1 = = V1V1这时，气流对热线的影响相同，由式(7)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 4 (b)(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。若忽略气时的气流速度不同，这时V2¢V2¢： V2,V2,因此流过两根热线的电流也会发多，其精度无法达到军用武器系统的要求。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。二、固、液、气体摆性能比较就基于固体摆、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