傾角傳感��(jīng)常用于系�(tǒng)的水平測(cè)�,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,傾角傳感器還可以用�(lái)�(cè)量相�(duì)于水平面的傾角變化量�
傾角傳感器經(jīng)常用于系�(tǒng)的水平測(cè)�,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�(jìn)行介紹�
1、“固體擺”式慣性器�
固體擺在�(shè)�(jì)中廣泛采用力平衡式伺服系�(tǒng),如�1所�,其由擺錘、擺�、支架組成, 擺錘受重力G和擺拉力T的作�,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(nèi)�(cè)量時(shí),可以認(rèn)為F與θ成線性關(guān)�。如�(yīng)變式傾角傳感器就基于此原理�
2、“液體擺”式慣性器�
液體擺的�(jié)�(gòu)原理是在玻璃殼體�(nèi)裝有�(dǎo)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�2所示。當(dāng)殼體水平�(shí),電極插入導(dǎo)電液的深度相�。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓�(shí),電極之間會(huì)形成離子電流,兩根電極之間的液體相當(dāng)于兩�(gè)電阻RI和RIII。若液體擺水平時(shí),則RI=RIII。當(dāng)玻璃殼體傾斜�(shí),電極間的導(dǎo)電液不相�,三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變�,但中間電極浸入深度基本保持不變。如�3所示,左邊電極浸入深度�,則�(dǎo)電液減少,導(dǎo)電的離子�(shù)減少,電阻RI增大,相�(duì)極則�(dǎo)電液增加,導(dǎo)電的離子�(shù)增加,而使電阻RIII 減少,即RI>RIII。反�,若傾斜方向相反,則RI<RIII�
在液體擺的應(yīng)用中也有根據(jù)液體位置變化引起�(yīng)變片的變�,從而引起輸出電信號(hào)變化而感知傾角的變化。在�(shí)用中除此�(lèi)型外,還有在電解�(zhì)溶液中留下一氣泡,當(dāng)裝置傾斜�(shí)氣泡�(huì)�(yùn)�(dòng)使電容發(fā)生變化而感�(yīng)出傾角的“液體擺��
3、“氣體擺”式慣性器�
氣體在受熱時(shí)受到浮升力的作用,如同固體擺和液體擺也具有的敏感�(zhì)量一樣,熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向�,因此也具有擺的特�?!皻怏w擺”式慣性元件由密閉腔體、氣體和熱線組成。當(dāng)腔體所在平面相�(duì)水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時(shí),熱線的阻值發(fā)生變�,并且熱線阻值的變化是角度q或加速度的函�(shù),因而也具有擺的效應(yīng)。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�(jī)理基于密閉腔體中的能量傳�,在密閉腔體中有氣體和熱線,熱線是的熱源。當(dāng)裝置通電�(shí),對(duì)氣體加熱。在熱線能量交換中對(duì)流是主要形式�
�(duì)流傳熱的方程為:�2�
其中:h—熱量傳遞系�(shù)(w/m2×k�,s—熱線表面積(m2),TH—熱線溫度(K�,TA�?dú)怏w溫度(K)�
熱量傳遞系數(shù)h與流體的熱傳�(dǎo)�、動(dòng)力學(xué)粘度、流體速度和熱線直徑有�(guān),表示為:(3�
其中:Nu為—努塞爾(Nusselt)數(shù),l—熱傳導(dǎo)率(W/mK�,Re—雷諾(Reynold)數(shù),U—流體速度(m2/s�,D—熱線的直徑(m�,n—流體的�(dòng)力學(xué)粘度�
�(dāng)氣流以速度U垂直穿過(guò)熱線�(shí),(4�
將(4)式代入�3)式得:�5�
根據(jù)熱平衡方程可得:
所以:�6�
假設(shè)和s為常�(shù),則有:�7�
從式�7)可以看出,�(dāng)流體的動(dòng)力學(xué)粘度、密度和熱傳�(dǎo)特性一定時(shí),若熱線�?chē)黧w的速度不同,則流過(guò)熱線的電流也不同,從而引起熱線兩端的電壓也產(chǎn)生相�(yīng)的變�。氣體擺式慣性器件就是根�(jù)一原理研制的�
氣體擺式檢測(cè)器件的核心敏感元件為熱線。電流流�(guò)熱線,熱線產(chǎn)生熱�,使熱線保持一定的溫度。熱線的溫度高于它周?chē)鷼怏w的溫�,動(dòng)能增加,所以氣體向上流�(dòng)。在平衡狀�(tài)�(shí),如�4(a)所�,熱線處于同一水平面上,上升氣流穿�(guò)它們的速度相同,即V1=V1�,這時(shí),氣流對(duì)熱線的影響相�,由式(7)可�,流�(guò)熱線的電流也相同,電橋平�。當(dāng)密閉腔體傾斜�(shí),熱線相�(duì)水平面的高度�(fā)生了變化,如�4(b)所�,因?yàn)槊荛]腔體中氣體的流動(dòng)是連續(xù)�,所以熱氣流在向上運(yùn)�(dòng)的過(guò)程中,依次經(jīng)�(guò)下部和上部的熱線。若忽略氣體上升�(guò)程中克服重力的能量損失,則穿�(guò)上部熱線的氣流已�(jīng)與下部熱線的�(chǎn)生熱交換,使穿過(guò)兩根熱線�(shí)的氣流速度不同,這時(shí)V2¢>V2,因此流�(guò)兩根熱線的電流也�(huì)�(fā)生相�(yīng)的變化,所以電橋失去平�,輸出一�(gè)電信�(hào)。傾斜角度不�,輸出的電信�(hào)也不��
典型�(yīng)用場(chǎng)合: 角度�(cè)量,水平�(diào)�,零位調(diào)� 傾角傳感器應(yīng)用特�(diǎn)� 可以�(diào)節(jié)輸出頻率,內(nèi)置零位調(diào)�,可以根�(jù)要求定制零位�(diào)整按�,從而實(shí)�(xiàn)在一定的角度置零的功�。這對(duì)于要�(cè)量相�(duì)傾角的場(chǎng)合非常有�。使用完畢后可以重新回歸零位。在這種�(chǎng)合使�,只要將傳感器固定在一定的平面,測(cè)量前使用零位按鈕�(shí)�(xiàn)清零功能,傳感器在此之后讀出來(lái)的數(shù)�(jù)就是相對(duì)于該平面的相�(duì)傾角� 濾波功能:當(dāng)要求輸出比較�(wěn)定時(shí),建議使用比較平緩的輸出,以使輸出的值趨向平�,而變化不至于太劇烈。如果要求非常及�(shí)的輸�,比如在�(cè)量有較高頻率的振�(dòng)的場(chǎng)�,可以使用高頻輸出,不過(guò),輸出會(huì)�?yàn)轫憫?yīng)�(shí)間非常短而不�(wěn)定。同�(shí),可以使用內(nèi)部濾波功能,以實(shí)�(xiàn)在振�(dòng)�(chǎng)合測(cè)�?jī)A角的目標(biāo)� 全量程傾角測(cè)量:通過(guò)雙軸的配合,可以�(shí)�(xiàn)360度傾角的�(cè)�。目前產(chǎn)品已�(jīng)非常�(wěn)定。在一些需要�(jìn)行全量程傾角�(cè)量的�(chǎng)�,選�360度產(chǎn)品是比較理想的�
傾角�(kāi)�(guān)(十二路�(kāi)�(guān)信號(hào)��
安全控制,監(jiān)控,�(bào)�
�(jī)械臂,大壩,建筑,橋梁角度測(cè)�
�(duì)�(zhǔn)控制,彎曲控��
初始位置控制,傾角姿�(tài)記錄儀
汽車(chē)四輪定位
種類(lèi)粗分�?jiǎn)屋S的和雙軸兩種
選擇依據(jù):根�(jù)你需要測(cè)量幾�(gè)方向的傾�,如果是一�(gè)就用單軸的,如果是兩�(gè)方向的(俯仰和橫滾)就選用雙軸的�
�(yīng)用范圍:
工程�(chē)輛調(diào)平,和高空平�(tái)安全保護(hù)
·定向�(wèi)星通訊天線的俯仰角�(cè)�
·船舶航行姿態(tài)�(cè)�
·盾構(gòu)頂管�(yīng)�
·大壩檢測(cè)
·地質(zhì)�(shè)備傾斜監(jiān)�(cè)
火炮炮管初射角度�(cè)�
·雷達(dá)�(chē)輛平�(tái)檢測(cè)
·�(wèi)星通訊�(chē)姿態(tài)檢測(cè)
1.� 言
傳感�是能感受�(guī)定的被測(cè)量并按照一定的�(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,作為信息系�(tǒng)的關(guān)鍵基�(chǔ)器件,近年來(lái),已�(jīng)受到�(guó)�(nèi)外的廣泛�(guān)�。傾斜傳感器作為�(jīng)典的傳感器之一,也正在被新材料、新原理、多功能、新�(jié)�(gòu)所取代,與�(shù)字技�(shù)、通信技�(shù)的結(jié)合越�(lái)越密�,朝著集成化、智能化和微型化方向�(fā)展�
圖一
2.傾斜傳感器原�
為了�(cè)知被�(cè)物體與標(biāo)�(zhǔn)水平面的傾斜角度,常常用到一�電解�(zhì)型傳感器.圖為一雙軸傳感器在輕微傾斜�(shí)單軸向示意圖,傳感器由密封圓筒構(gòu)�,圓筒之間充�(mǎn)整�(gè)容量一半左右的流體介質(zhì),電解質(zhì)為呈粘滯性液�,圓筒中裝有電極,并且浸泡在電解液中,各電極分別有管腳引�。當(dāng)傳感器傾斜時(shí),液面因?yàn)橹亓Ρ3炙剑瑑呻姌O間傳�(dǎo)率與電極浸入液體的長(zhǎng)度成正比。例如圖中所示的傾角�,電極a、b之間的傳�(dǎo)率大于電極b、c之間的傳�(dǎo)�。可�(jiàn),在電特性上,傳感器�(lèi)似于分壓�(jì),阻抗的變化和傾斜的角度成正�,傳感器輸出信號(hào)隨傾斜角度變化的�(guān)系如圖二所�,注意�(dāng)傾角大于20°�(shí)輸出信號(hào)變得非線�??梢宰C明,傳感器可以測(cè)量的傾角范圍為電解液容量、電極間距和電極�(zhǎng)度的函數(shù)。傳感器在某種程度上�(lèi)似于鉛酸電池,電流能引起電解�(zhì)的化�(xué)反應(yīng),最終結(jié)果使電解�(zhì)失去�(dǎo)電�,所以為了防止電解反�(yīng)的發(fā)生,傳感器的激�(lì)必須為頻率足夠高的交變電�。對(duì)于某些電解液,這�(gè)頻率可以�25Hz,而有些電解液則需要達(dá)�1000Hz�4000Hz�
圖二 傳感器輸出特�
3. 傾斜傳感器在艦載天線控制中的�(yīng)�
3.1艦艇的前�(jìn)、海浪顛簸都�(huì)�(dǎo)致艦載天線隨�(jī)座發(fā)生傾斜,所以為了保證天線能夠連續(xù)�(zhǔn)確地跟蹤�(wèi)�,就要對(duì)天線軸架�(jìn)行實(shí)�(shí)�(diào)�。由于天線的�(zhuǎn)�(dòng)控制除了方位(Azimuth)與俯仰(Level�,還有一�(gè)俯仰的垂直面(Cross level),因此要用到三�(gè)檢測(cè)電機(jī)�(zhuǎn)速的�速度傳感�和一�(gè)檢測(cè)水平度的傾斜傳感�。如圖所示:
圖三 艦載�(wèi)星天線示意圖
3.2傳感器參�(shù)及應(yīng)�
�(cè)量范圍�45°;輸入電壓+5v;輸出+1�4vDC�4�20mA;分辨率�0.01°;非線性為±2°;工作溫度為�40°C~+80°C;承受沖擊能力為1000g�1msec�
�(duì)于雙軸傳感器則即有與單軸傳感器類(lèi)似的屬�,又包含自身的復(fù)雜性。由于雙軸共享中心電�,四�(gè)外圍電極理想地分布于正方形的四�(gè)�,所以每�(gè)軸向的獨(dú)立測(cè)量要用到兩種方法:一是同一�(shí)刻只有一�(gè)軸向激�(lì),二是雙軸向同時(shí)加載不同頻率的激�(lì),如圖所示,電極a、c間的激�(lì)信號(hào)頻率為電極d、e間的二�,要注意方法一中正交的兩�(gè)軸向分別為對(duì)角線ac和de方向,而方法二中正交的兩�(gè)軸向則是外圍電極正方形的邊緣ae和ad方向�
圖四 外圍電極波形
圖五 輸入電路框圖
從圖中可以看�,由于傳感器輸出為微弱的模擬信號(hào),所以必須把傳感器輸出的模擬量�(jìn)行預(yù)處理,又�(chēng)信號(hào)�(diào)�,并且經(jīng)�(guò)A/D�(zhuǎn)換變成數(shù)字量�處理�才能�(duì)其�(jìn)行分析處理。具體到電解�(zhì)�傾角傳感�,以某型艦載天線為例,實(shí)際應(yīng)用電路如下圖所示:
圖六 傳感器應(yīng)用電�
圖中U5�(gòu)成傳感器輸出CTR端信�(hào)的反相放大電�,F(xiàn)1,F(xiàn)2�(lái)自處理器輸出端口控制信號(hào),為頻率50HZ、相位差180°的方�,經(jīng)�(guò)反相器作為傳感器的LV和CL電極�(qū)�(dòng),既可實(shí)�(xiàn)每對(duì)電極上信�(hào)極性的交替變化,又能提供水平和垂直水平二維傾斜度測(cè)量的選擇。F1,F(xiàn)2同時(shí)又作用于多路輸入選擇器U6的控制端A和B,對(duì)�(yīng)于每�(duì)電極上信�(hào)極性的變化,選擇控制相�(yīng)極性的信號(hào)作為輸出�
4.�(jié)束語(yǔ)
電解�(zhì)型傾角傳感器具有良好的復(fù)�(xiàn)性、可靠性和較高的精�,在�(yīng)用中需要特別注意的是:⑴驅(qū)�(dòng)信號(hào)F1,F(xiàn)2必須為直流分量為零的交流電壓信號(hào),因?yàn)橹绷�?huì)使電解質(zhì)�(chǎn)生電解反�(yīng)而失去導(dǎo)電性,�(duì)傳感器造成不可逆轉(zhuǎn)的損�。⑵避免使用波峰�接以及化�(xué)有機(jī)溶劑洗刷,以防止傳感器輸出特性的改變和電解液泄露�
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):為確保其可靠運(yùn)�,應(yīng)在處理器端口引腳和傳感器之間接上CMOS 反相��微處理器可以�(shè)置成每秒喚醒一次或幾次�(jìn)行新的測(cè)�,同�(shí)采樣�(qū)�(dòng)信號(hào)中點(diǎn)電壓作為參�,這樣每次�(cè)量分兩步完成:首先計(jì)算傳感器信號(hào)減去參考信�(hào)的�,然后加上反相驅(qū)�(dòng)信號(hào)并計(jì)算參考信�(hào)減去傳感器信�(hào)的�,將兩次�(cè)量結(jié)果相減得到所需傾斜值的2 倍且使系�(tǒng)�(chǎn)生的偏差相抵��