基于三轴重力加速度的倾斜角传感器.ppt

2017/11/23
倾斜角传感器在汽车上的应用
2017/11/23
概要
1、倾斜角传感器的定义及说明
2、倾角传感器简介
3、倾斜角传感器的应用
4、倾角传感器发展趋势与产品现状
5、介绍三种常见的传感器
6、倾斜角传感器设计实例
7、参考文献
2017/11/23

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。

倾角传感器经常用于系统的水平距离和物体的高度的测量,从工作原理上可分为固体摆式、液体摆式、气体摆式三种倾角传感器,这三种倾角传感器都是利用地球万有引力的作用,将传感器敏感器件对大地的姿态角,即与大地引力的夹角(倾角)这一物理量,转换成模拟信号或脉冲信号,他们的原理分别介绍如下:



固体摆式倾角传感器
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:
式中的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。
液体摆式倾角传感器
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RI3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减少,即RI>RIII。反之,若倾斜方向相反,则RI<RIII。增大,相对极则导电液增加,导电的离子数增加,而使电阻RIII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。
液体摆式倾角传感器
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”。
气体摆式倾角传感器
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。
气体摆式倾角传感器
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V7)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V>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。
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。