倾角传感器的原理和发展

　　摘要：本文简述了倾角传感器的原理和发展状况。对几种原理的倾角传感器的性能作了比较，并给出了相应产品的性能参数。

　　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是基于此原理。

　　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（　　），　　　　　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这一原理研制的。

　　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。

　　三、倾角传感器发展趋势与产品现状

　　为获得倾角传感器产品资料，参考了《传感器世界》、《传感器产品目录》等，又采用了互联网查询及生产厂家的代理商咨询等形式查阅了大量的倾角传感器资料，从反馈的信息可知，目前生产倾角传感器的厂商较少，但就产品而言，单轴倾角传感器居多，且分辨率较高。就国内产品而言，传感器与电路集表１　　倾角传感器产品

　　产品名称总量程分辨率线性度工作温度（°Ｃ）存储温度（°Ｃ）频率响应（Ｈｚ）工作原理膜电位倾角传感器±６０°０．００１°１％－４０～６０－５０～６５０．５利用重力对流体的作用引起膜电位变化ＡｃｃｕＳｔａｒ系列±３０°０．０１°±０．３°－４０～８５－５５～８５０．５利用重力对气泡的作用引起电容的变化斜角测量仪系列±１°～±６０°０．１？／弧度２％－１８～７１－４０～７１０．５利用重力引起质量块位置变化有位移传感器测量液体摆组合±１°０．００１°１％－４０～６０－５０～６５０．５利用重力引起电解液液位变化，从而使电流变化ＳＺ型倾角传感器０°～９０°±０．２°±４０ＷＴＸ型磁敏电阻非接触倾角传感器±４５°或０～９０°＜１％－３０～８０ＱＪ－１型倾角传感器±３５°±０．１°１％－３５～５０５５１５型倾角传感器０°～±６０　。