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　傾角傳感器可以用來(lái)測(cè)量相對(duì)于水平面的傾角變化量,。理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理,，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部,，速度是無(wú)法測(cè)量的,，但卻可以測(cè)量其加速度。如果初速度已知,，就可以通過(guò)積分計(jì)算出線速度,，進(jìn)而可以計(jì)算出直線位移。所以它其實(shí)是運(yùn)用慣性原理的一種加速度傳感器,。

　　當(dāng)傾角傳感器靜止時(shí)也就是側(cè)面和垂直方向沒(méi)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了,。

　　隨著MEMS 技術(shù)的發(fā)展,，慣性傳感器件在過(guò)去的幾年中成為zui成功,應(yīng)用zui廣泛的微機(jī)電系統(tǒng)器件之一，而微加速度計(jì)（microaccelerometer）就是慣性傳感器件的杰出代表,。作為zui成熟的慣性傳感器應(yīng)用,，現(xiàn)在的MEMS 加速度計(jì)有非常高的集成度，即傳感系統(tǒng)與接口線路集成在一個(gè)芯片上,。
傾角傳感器把MCU,，MEMS加速度計(jì)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,，通訊單元全都集成在一塊非常小的電路板上面,。可以直接輸出角度等傾斜數(shù)據(jù),，讓人們更方便的使用它,。

　　其特點(diǎn)是：硅微機(jī)械傳感器測(cè)量（MEMS）以水平面為參面的雙軸傾角變化。輸出角度以水準(zhǔn)面為參考,，基準(zhǔn)面可被再次校準(zhǔn),。數(shù)據(jù)方式輸出，接口形式包括RS232,、RS485和可定制等多種方式?？雇饨珉姶鸥蓴_能力強(qiáng),。

　　承受沖擊振動(dòng)10000G。

　　一,、傾角傳感器原理

　　傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測(cè)量,，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進(jìn)行介紹。

　　1,、“固體擺”式慣性器件

　　固體擺在設(shè)計(jì)中廣泛采用力平衡式伺服系統(tǒng),，如圖1所示,，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為：（1）

　　其中,，θ為擺線與垂直方向的夾角,。在小角度范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，可以認(rèn)為F與θ成線性關(guān)系,。如應(yīng)變式傾角傳感器就基于此原理,。

　　2、“液體擺”式慣性器件

　　液體擺的結(jié)構(gòu)原理是在玻璃殼體內(nèi)裝有導(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，如圖2所示,。當(dāng)殼體水平時(shí),，電極插入導(dǎo)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(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)于兩個(gè)電阻RI和RIII。若液體擺水平時(shí),，則RI＝RIII,。當(dāng)玻璃殼體傾斜時(shí)，電極間的導(dǎo)電液不相等,，三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變化,，但中間電極浸入深度基本保持不變。如圖3所示,，左邊電極浸入深度小,，則導(dǎo)電液減少，導(dǎo)電的離子數(shù)減少,，電阻RI增大,，相對(duì)極則導(dǎo)電液增加，導(dǎo)電的離子數(shù)增加,，而使電阻RIII 減少,，即RI＞RIII。反之,，若傾斜方向相反,，則RI＜RIII。

　　在液體擺的應(yīng)用中也有根據(jù)液體位置變化引起應(yīng)變片的變化,，從而引起輸出電信號(hào)變化而感知傾角的變化,。在實(shí)用中除此類(lèi)型外,，還有在電解質(zhì)溶液中留下一氣泡，當(dāng)裝置傾斜時(shí)氣泡會(huì)運(yùn)動(dòng)使電容發(fā)生變化而感應(yīng)出傾角的“液體擺”,。

　　3,、“氣體擺”式慣性器件

　　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質(zhì)量一樣,，熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向上,，因此也具有擺的特性。“氣體擺”式慣性元件由密閉腔體,、氣體和組成,。當(dāng)腔體所在平面相對(duì)水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時(shí)，的阻值發(fā)生變化,，并且阻值的變化是角度q或加速度的函數(shù),，因而也具有擺的效應(yīng)。其中阻值的變化是氣體與之間的能量交換引起的,。

　　“氣體擺”式慣性器件的敏感機(jī)理基于密閉腔體中的能量傳遞,，在密閉腔體中有氣體和，是*的熱源,。當(dāng)裝置通電時(shí),，對(duì)氣體加熱。在能量交換中對(duì)流是主要形式,。

　　對(duì)流傳熱的方程為：（2）

　　其中：h—熱量傳遞系數(shù)（w/m2×k）,，s—表面積（m2），TH—溫度（K）,，TA—氣體溫度（K）,。

　　熱量傳遞系數(shù)h與流體的熱傳導(dǎo)率、動(dòng)力學(xué)粘度,、流體速度和直徑有關(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—的直徑（m）,n—流體的動(dòng)力學(xué)粘度。

　　當(dāng)氣流以速度U垂直穿過(guò)時(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為常數(shù),，則有：（7）

　　從式（7）可以看出,，當(dāng)流體的動(dòng)力學(xué)粘度,、密度和熱傳導(dǎo)特性一定時(shí)，若周?chē)黧w的速度不同,，則流過(guò)的電流也不同,，從而引起兩端的電壓也產(chǎn)生相應(yīng)的變化,。氣體擺式慣性器件就是根據(jù)一原理研制的。

　　氣體擺式檢測(cè)器件的核心敏感元件為,。電流流過(guò),，產(chǎn)生熱量，使保持一定的溫度,。的溫度高于它周?chē)鷼怏w的溫度,，動(dòng)能增加，所以氣體向上流動(dòng),。在平衡狀態(tài)時(shí),，如圖4（a）所示，處于同一水平面上,，上升氣流穿過(guò)它們的速度相同,，即V1＝V1′，這時(shí),，氣流對(duì)的影響相同,，由式（7）可知，流過(guò)的電流也相同,，電橋平衡,。當(dāng)密閉腔體傾斜時(shí)，相對(duì)水平面的高度發(fā)生了變化,，如圖4（b）所示,，因?yàn)槊荛]腔體中氣體的流動(dòng)是連續(xù)的，所以熱氣流在向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,，依次經(jīng)過(guò)下部和上部的,。若忽略氣體上升過(guò)程中克服重力的能量損失，則穿過(guò)上部的氣流已經(jīng)與下部的產(chǎn)生熱交換,，使穿過(guò)兩根時(shí)的氣流速度不同,，這時(shí)V2¢＞V2，因此流過(guò)兩根的電流也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,，所以電橋失去平衡,，輸出一個(gè)電信號(hào)。傾斜角度不同,，輸出的電信號(hào)也不同,。

　　二、固,、液,、氣體擺性能比較

　　就基于固體擺、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(zhǎng),。在重力場(chǎng)中,，固體擺的敏感質(zhì)量是擺錘質(zhì)量，液體擺的敏感質(zhì)量是電解液,，而氣體擺的敏感質(zhì)量是氣體,。

　　氣體是密封腔體內(nèi)的*運(yùn)動(dòng)體，它的質(zhì)量較小,，在大沖擊或高過(guò)載時(shí)產(chǎn)生的慣性力也很小,，所以具有較強(qiáng)的抗振動(dòng)或沖擊能力。但氣體運(yùn)動(dòng)控制較為復(fù)雜,，影響其運(yùn)動(dòng)的因素較多,，其精度無(wú)法達(dá)到軍用武器系統(tǒng)的要求。

　　固體擺傾角傳感器有明確的擺長(zhǎng)和擺心,，其機(jī)理基本上與加速度傳感器相同,。在實(shí)用中產(chǎn)品類(lèi)型較多如電磁擺式，其產(chǎn)品測(cè)量范圍,、精度及抗過(guò)載能力較高,，在武器系統(tǒng)中應(yīng)用也較為廣泛。

　　液體擺傾角傳感器介于兩者之間,，但系統(tǒng)穩(wěn)定,，在高精度系統(tǒng)中，應(yīng)用較為廣泛,，且國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品多為此類(lèi),。

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文章出處：http://www.sensorway.cn/knowledge/242.html