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倾角传感器三种工作原理及其区别
时间: 2014-07-26 08:19 浏览次数:
倾角传感器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。

 倾角传感器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。

  一、倾角传感器原理

  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,下面就它们的工作原理进行介绍。

  1、“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。

  2、“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”。

  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。

  “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。

  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。

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