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細微的傾斜角度都能被察覺,傾角傳感器的原理是什么?

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傾角傳感器又稱作傾斜儀、測斜儀、水平儀、傾角計,經常用于系統的水平角度變化測量,是一種非常的測量小角度的檢測工具,用它可測量被測平面相對于水平位置的傾斜度、兩部件相互平行度和垂直度;已成為橋梁架設、鐵路鋪設、土木工程、石油鉆井、航空航海、工業自動化、智能平臺、機械加工等領域不可缺少的重要測量工具。

基礎原理 牛頓第二定律

根據牛頓第二定律基本的物理原理,在一個系統內部,速度是無法測量的,但卻可以測量其加速度。如果初速度已知,就可以通過積分計算出線速度,進而可以計算出直線位移。所以它其實是運用慣性原理的一種加速度傳感器。

當傾角傳感器靜止時也就是側面和垂直方向沒有加速度作用,那么作用在它上面的只有重力加速度;重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角。

隨著自動化和電子測量技術的發展,傾角傳感器的種類也逐漸增多,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,接下來小明就來分別介紹一下他們的工作原理。

①固體擺

這是一種在設計中廣泛采用力平衡式伺服系統,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 =G sinθ=mg sinθ。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,應變式傾角傳感器就基于此原理。

②液體擺

它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。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。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。

③氣體擺

“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。

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,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,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。

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,輸出對應傾斜角度的電信號。

分析對比  固、液、氣體擺性能差異

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固體擺和氣體擺之間,其系統穩定,在高精度系統中,應用較為廣泛。

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