傾角傳感器原理和發展

摘要：本文簡述了傾角傳感器的原理和發展狀況。對幾種原理的傾角傳感器的性能作了比較，并給出了相應產品的性能參數。

關鍵詞：傾角傳感器；原理；固體擺；氣體擺；液體擺

文章編號：1006-883X（2002）08-0005-04 文獻標識碼：A 中圖分類號：TP212.1

一、傾角傳感器原理

　傾角傳感器經常用于系統的水平測量，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，下面就它們的工作原理進行介紹。

1、“固體擺”式慣性器件

　固體擺在設計中廣泛采用力平衡式伺服系統，如圖1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為：

（1）

　其中，θ為擺線與垂直方向的夾角。在小角度范圍內測量時，可以認為F與θ成線性關系。如應變式傾角傳感器就是基于此原理。

2、“液體擺”式慣性器件

　 液體擺的結構原理是在玻璃殼體內裝有導電液，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2所示。當殼體水平時，電極插入導電液的深度相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時，電極之間會形成離子電流，兩根電極之間的液體相當于兩個電阻RI和RIII。若液體擺水平時，則RI＝RIII。當玻璃殼體傾斜時，電極間的導電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。如圖3所示，左邊電極浸入深度小，則導電液減少，導電的離子數減少，電阻RI增大，相對極則導電液增加，導電的離子數增加，而使電阻RIII 減少，即RI＞RIII。反之，若傾斜方向相反，則RI＜RIII。

　 在液體擺的應用中也有根據液體位置變化引起應變片的變化，從而引起輸出電信號變化而感知傾角的變化。在實用中除此類型外，還有在電解質溶液中留下一氣泡，當裝置傾斜時氣泡會運動使電容發生變化而感應出傾角的“液體擺”。

3 “氣體擺”式慣性器件

　氣體在受熱時受到浮升力的作用，如同固體擺和液體擺也具有的敏感質量一樣，熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向上，因此也具有擺的特性。“氣體擺”式慣性元件由密閉腔體、氣體和熱線組成。當腔體所在平面相對水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時，熱線的阻值發生變化，并且熱線阻值的變化是角度q或加速度的函數，因而也具有擺的效應。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。當裝置通電時，對氣體加熱。在熱線能量交換中對流是主要形式。

對流傳熱的方程為： （2）

其中：h—熱量傳遞系數（ ），

s—熱線表面積(m2)，

TH—熱線溫度（K），

TA—氣體溫度（K）。

熱量傳遞系數h與流體的熱傳導率、動力學粘度、流體速度和熱線直徑有關，表示為： （3）

其中：Nu為—努塞爾（Nusselt）數，

l—熱傳導率（W/mK），

Re — 雷諾（Reynold）數，

U—流體速度（m2/s）,

D—熱線的直徑(m),

n—流體的動力學粘度。

當氣流以速度U垂直穿過熱線時， （4）

將（4）式代入（3）式得： （5）

根據熱平衡方程可得：

所以： (6)

假設 和s為常數，則有： （7）

　從式（7）可以看出，當流體的動力學粘度、密度和熱傳導特性一定時，若熱線周圍流體的速度不同，則流過熱線的電流也不同，從而引起熱線兩端的電壓也產生相應的變化。氣體擺式慣性器件就是根據這一原理研制的。

　氣體擺式檢測器件的核心敏感元件為熱線。電流流過熱線，熱線產生熱量，使熱線保持一定的溫度。熱線的溫度高于它周圍氣體的溫度，動能增加，所以氣體向上流動。在平衡狀態時，如圖4(a)所示，熱線處于同一水平面上，上升氣流穿過它們的速度相同，即V1＝V1′，這時，氣流對熱線的影響相同，由式（7）可知，流過熱線的電流也相同，電橋平衡。當密閉腔體傾斜時，熱線相對水平面的高度發生了變化，如圖4(b)所示，因為密閉腔體中氣體的流動是連續的，所以熱氣流在向上運動的過程中，依次經過下部和上部的熱線。若忽略氣體上升過程中克服重力的能量損失，則穿過上部熱線的氣流已經與下部熱線的產生熱交換，使穿過兩根熱線時的氣流速度不同，這時V2¢＞V2，因此流過兩根熱線的電流也會發生相應的變化，所以電橋失去平衡，輸出一個電信號。傾斜角度不同，輸出的電信號也不同。

二、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，固體擺的敏感質量是擺錘質量，液體擺的敏感質量是電解液，而氣體擺的敏感質量是氣體。氣體是密封腔體內的唯一運動體，它的質量較小，在大沖擊或高過載時產生的慣性力也很小，所以具有較強的抗振動或沖擊能力。但氣體運動控制較為復雜，影響其運動的因素較多，其精度無法達到軍用武器系統的要求。固體擺傾角傳感器有明確的擺長和擺心，其機理基本上與加速度傳感器相同。在實用中產品類型較多如電磁擺式，其產品測量范圍、精度及抗過載能力較高，在武器系統中應用也較為廣泛。液體擺傾角傳感器介于兩者之間，但系統穩定，在高精度系統中，應用較為廣泛，且國內外產品多為此類。

三、傾角傳感器發展趨勢與產品現狀

　 為獲得傾角傳感器產品資料，參考了《傳感器世界》、《傳感器產品目錄》等，又采用了互聯網查詢及生產廠家的代理商咨詢等形式查閱了大量的傾角傳感器資料，從反饋的信息可知，目前生產傾角傳感器的廠商較少，但就產品而言，單軸傾角傳感器居多，且分辨率較高。就國內產品而言，傳感器與電路集

表1 傾角傳感器產品