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1、2 大型喷雾机液体倾角摆差传感器的设计 2020年4月 大型喷雾机液体倾角摆差传感器的设计 本文关键词：倾角，喷雾，传感器，液体，设计 大型喷雾机液体倾角摆差传感器的设计 本文简介：仪表工程师论文第三篇摘要：为方便、准确地检测大型喷雾机横杆水平状态，设计并制作液体摆差分电阻式倾角传感器。传感器采用液体自水平原理和电阻在液体摆差分变化原理，再利用电桥电路将倾角变化转换为电压变化。设计并制作了水银槽，采用康铜为导电丝制作了倾角传感器装置。在20的室温环境下，进行了标定试验 大型喷雾机液体倾角摆差传感器的设计 本文内容：仪表工程师论文第三篇摘要：为方便、准确地检测大型喷雾机横杆水平状态，设计并制作液
2、体摆差分电阻式倾角传感器。传感器采用液体自水平原理和电阻在液体摆差分变化原理，再利用电桥电路将倾角变化转换为电压变化。设计并制作了水银槽，采用康铜为导电丝制作了倾角传感器装置。在20的室温环境下，进行了标定试验和对比试验，获得倾角测定经验公式。试验结果表明：在倾角为-2020的范围内，其测量精度小于1. 0%,当倾角为-66时，误差低于0. 02。关键词：液体摆； 差分电阻； 传感器； 倾角测量； 水平检测；0 引言倾角测量与水平检测在机械设备、工程建筑、航空航天、农业装备、桥梁隧道、地质勘探和科学实验等领域中，为了监测状态和控制姿势，需要采用倾角传感器准确测量平面与水平面的倾斜角。此外，许多
3、精密仪器也需要精确测量倾角，如高精度激光水平仪、地质设备倾斜监测、卫星通信车等。常用的倾角传感器主要有三大类固体摆式1,2,3,4,5、液体摆式6,7,8,9和气体摆式10,11,随着现代先进微机电系统 （micro-electro-mechanical system, MEMS） 技术的发展，出现了一些MEMS技术的集成倾角传感器12,13,14.如SANG1000系列传感器，该传感器在可靠性、稳定性和集成度方面具有较大的优势，但价格高，购置不便。为实现大型机械喷雾机横杆的水平控制，本文设计一种灵敏度高、动态响应好的液体摆差分电阻倾角传感器，并进行标定试验。1 液体摆差分电阻传感器设计1.1
4、 导电液与导电丝选择导电丝和导电液是决定传感器性能指示的主要因素，导电丝和导电液选择得好，灵敏度、稳定性较好，迟滞性小。常见的导电液有水银、酸碱盐溶液，水银导电性好、稳定性好，但价格较高密度大、重量大。酸碱盐溶液电阻率高、稳定性差，通电发生电离反应。考虑性能优先选择水银为导电液。为了提高倾角传感器的灵敏度和稳定性，必须选择电阻率高的导电丝。常见高电阻率材料有铅笔芯、镍铬合金 （电热丝） 、铁铬铝合金、康铜等。铅笔芯也有不同的材料，2B铅笔芯电阻率最小，2H铅笔芯电阻率最大，采用2H铅笔芯进行试验灵敏度较好，但由于铅笔芯与水银是不浸润的，它们之间的接触不是特别好，导致稳定性差。镍铬合金、铁铬铝合
5、金都是金属材料，与水银是浸润的，接触较好，但是水银的氧化性比镍铬合金、铁铬铝合金强，Hg O将导电丝合金氧化并在导电丝上形成氧化膜阻止导电，导致传感器不稳定。康铜材料电阻率较好，其主要成份是铜，与水银具有浸润的特点，且铜比水银更稳定，不会被Hg O氧化。最终选择以水银为导电液，康铜为导电丝。从废旧的电阻箱中拆出绕线电阻，取外径为0.16 mm的电阻线，除去外面的漆，经实际测量其单位长度的电阻率是0.4/cm.1.2 传感器结构设计如图1所示，设计一个方形液槽，内安装有3个电极A, B, C;中间电极C为铜丝，其电阻可以忽略不计，左右两个电极A, B为敏感电极，采用康铜丝，其单位长度的电阻率为0
6、.4/cm,液槽内水银面高为h,康铜丝长为H,左右电极A, B距中间电极C距离均为L.当液槽向右倾斜角为时，由水银面保持水平，导致左电极A液面下降h,右电极B液面上升h,如图1 （a） 所示有。图1 液槽水平与倾斜示意1.3 参数设置与计算图1中，液槽参数为：L=4.0 cm, H=8.0 cm, h=3.0 cm.当液槽水平时，电极A, B的电阻初值为RA=RB=0.4 （H-h） =0.45=2 （） .当液槽倾斜角为时，电极A, B的电阻改变量为2 测量电路倾角传感器变化电量是电阻，采用直流电桥电路可以较方便地将电阻变量转换成电压变量。如图2所示，为电桥电路，RA, RB为敏感电极的电阻
7、，R1, R2为固定电阻，R1和R2为100，电源U=1.5 V.图2 测量电路原理当传感器液槽水平时，RA=RB=2，电桥平衡UC=UF,输出电压Uo=0.当液槽倾斜角为时，UF不变，RA增大，RB减小即=arctan （1.67Uo） .3 倾角测量标定试验及特性测试3.1 传感器标定试验以竖直放置的大型量角器为参考倾斜角，将倾角传感器液槽放置在直立的大型量角器支架上，量角器的精确度是1。因为本倾角传感器输出电压与倾角非线性，倾角小于10时接近线性，而本传感器设计主要用于检测水平，即测量小于10的倾角。所以，只标定倾角为20以内，在-1010之间，每2记录一次数据，-20-10，1020，
8、每5记录一次数据，在20的室温条件下测量。将倾角在10的数据进行最小二乘拟合得到如图3曲线和经验公式。图3 输出电压与倾斜角的关系 （-1010）式 （3） 为传感器标定的经验公式式中Uo单位为m V,的单位为度 （） .通过仪表测量输出电压Uo,即可换算得出传感装置倾角的角度。3.2 倾角测量对比试验为验证传感器的准确性与可靠性，采用高精度传感器 （型号：BWS2200,精度：0.001） 与设计的传感器进行比较实验。BWS2200传感器在官网有配套串口调试软件可在电脑上显示倾斜角度。在本实验中，选择BWS2200传感器的X方向与本文传感器获得的倾角进行对比。将所设计倾角传感器装置和BWS2
9、200传感器放置在直立的大型量角器支架上，按标定实验的步骤进行试验，实验数据如表1.表1 倾斜角对比试验 （-2020，20）表1中，为量角器设定角度，为本文设计传感器所得角度，为BWS2200高精度传感器显示角度。从表中数据可见，本文传感器在倾角小于6时误差很小，当倾角大于6时，误差增大，其相对误差不大于1.0%.观察表1数据可见，随倾角的增加传感器误差增大，经分析式 （2） 可知，传感器输出电压Uo与倾角成正切关系，而在经验公式中进行线拟合，当倾角很小时，线性拟合是有效的，但倾角较大时，误差将增大。本传感器主要用于水平检测，对于倾角测量是为了估测将不影响测量精度。4结论1） 设计并制作了方
10、形水银槽，水银液面上高3 cm,内安装有3个电极A, B, C.A, B电极康铜，长为8 cm, A和B相距8 cm,康铜单位长度的电阻率为0.4/cm;C电极为铜，放置在A, B的中间。2） 采用直流电桥电路，进行了简单的理论计算，获得输出电压与倾角的关系=arctan （1.67Uo） .3） 经过实验标定获得倾角与输出电压的经验公式=0.094 9Uo+0.001 7.4） 将所设计倾角传感器装置和BWS2200传感器进行了对比试验，试验结果表明：在-2020的范围内，其测量精度小于1.0%;当倾角小于6时，误差低于0.02。1 于娜，刘志远，赵佳龙。倾角传感器的温度补偿研究J.传感器与
11、微系统，2014, 33 （10） :14-16.2 伍伟斌，纪洪广，陈建康。数字开关式倾角传感器设计J.传感器与微系统，2013, 32 （12） :107-109.3 GUAN B O, TAM H Y, LIU S Y. Temperature-independent fiber Bragg grating tilt sensorJ. Photonics Technology Letters, 2004, 16 （1） :224-226.4 DONG X Y, ZHAN C L, HU K, et al. Temperature-insensitive tilt sensor with
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