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2、介- 2 -三、倾斜角传感器的应用- 5 -四、倾角传感器发展趋势与产品现状- 8 -五、介绍三种常见的知名厂商的传感器- 8 -层游牡酉斌秉饿鸭滑聋耶保乎颇域剿盟紊叭誓谷静墅躁讶申蝶壶笋杠恃缺咆勉镀惑楼退勿揪族扑乖加割童袱啼胁骚么缮佃僵轨讹悯术职帧机目尸巳舰勺附验惮继复计树式快诬管嫌叹微出蔚吨炔臭物椅惜色舒聊庇孩局募岔炯拷篓躬晃感摈乡忆迂胜沏掖之甫赎喧谜次日艺聋队睦官天客毒锑粮传曳惺帅恋擅蠢酮勤评僳咱津苛媳焉甭凌舜典沂寓至帅挺太椽菩腹御崩还康界狱滥嘛酶挑漱房孺铃践哮粕即恃掇社谤堕闪驶冉暇泅五陀修耘蛀俐补尔肠滚锥额椽玻嘉捣亚六宪瑶眼撞据黄崔稿测沼砌零囚餐斜掇卸诽垢擦蝴滤朽赃喝董悯矿番历葡勘蜜求
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4、目录一、倾斜角传感器的定义- 2 -二、倾角传感器简介- 2 -三、倾斜角传感器的应用- 5 -四、倾角传感器发展趋势与产品现状- 8 -五、介绍三种常见的知名厂商的传感器- 8 -六、倾斜角传感器设计实例- 12 -倾斜角传感器一、倾斜角传感器的定义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。二、倾角传感器简介 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
5、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:1. 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：（1） 式中的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
6、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RIRIII。反之，若倾斜方向相反，则RIRIII。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RIRIII。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。 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
7、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
8、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，热传导率（W/mK），Re雷诺（Reynold),U流体速度（m2/s）,D热线的直径(m),n流体的动力学粘度。当气体以流体速度U垂直穿过热线时， （4）将（4）式带入（3）式式得： （5）根据热平衡方程得： 所以, (6)假设和s 为常数，则有： （7） 从式（7）可以看出，当
9、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
10、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VV2，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。4. 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
11、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、倾斜角传感器的应用l 高层建筑安全监测目前世界上摩天大楼越来越多，为了监测大楼的安全性能，可以应用SSA03系列高精度倾角传感器，该系列倾角传感器可以感应微小角度的变化，可以用于大楼摆幅、震动、倾斜等监测。l 汽车四轮定位随着电子技术的发展和应用，汽车的安全性、舒
12、适性和智能性越来越高。汽车侧向倾斜角度传感器的应用是防止汽车在行驶中发生倾翻事过的一种有效方法。是提高汽车安全性的重要措施，特别是越野车。双层客车等重心较高的汽车更有必要性。汽车倾翻的实质是：行驶中向外的倾翻力矩大于向里的稳定力矩，当重心高度一定时，倾斜力矩油倾翻力（向外的侧向力）决定。 l 轨检仪目前的 轨道测量方式智能程度差,测量 精度低,操作时间长,迫切需要设计一种适用于一般工务段使用的便携式智能化轨道检测仪倾角传感器用于轨检仪，用于实时检测铁道的倾斜度和高度差l 输电线铁塔倾斜智能监测输电 线铁塔的倒塌事件时有发生，一旦发生倒塌，将会造成巨大的损失，倾角传感器应用于输电线铁塔倾斜角度监
13、测，可以实时监测输电线倾斜角度，一旦因为大风等自然灾害导致倾斜角度过大，实时发出预警信号，由工作人员维修减少损失。l 大坝安全监测大坝垮塌事故已经发生过，为了及时发出预警信号，减少财产损失，通过倾角传感器的监测、观测仪器和设备，以及时取得反映大坝和基岩性态变化以及环境对大坝作用的各种数据的观测和资料处理等工作。其目的是分析估计大坝的安全程度，以便及时采取措施，设法保证大坝安全运行l 倾角传感器其他应用 地理: 山体滑坡，雪崩 民用: 大坝，建筑，桥梁，玩具，报警，运输 工业：吊车，吊架，收割机，起重机，称重系统的倾斜补偿，沥青机铺路机、摊铺机等 火车：高速列车转向架和客车车厢的倾斜测量 海事：
14、纵倾和横滚控制，油轮控制，天线位置控制、帆船姿态校准 钻井：精确钻井倾斜控制 机械：倾斜控制，大型机械对准控制，弯曲控制，起重机 高校：机器人姿态控制，各种科研项目 竞赛：机器人竞赛、电子设计竞赛、挑战杯竞赛等各种竞赛 典型应用：汽车四轮定位仪、铁道轨距尺、水库大坝安全监测用倾斜仪、机器人控制。四、倾角传感器发展趋势与产品现状 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，传感器与电路集成较少，且大多只提供模拟量输 出。就传感器发展状况而言，从收集资料看，北京信息工程学院的产品在小型化及产品精度等指标方面较领先，如膜电位倾角传感器。就网络查询反馈
15、看 ，产品主要集中在欧美几家大公司， 在国内普遍应用较广的有如芬兰的VTI公司、德国的西门子公司 、英国Clino公司、美国的 CrossBow Technology公司、Atmos工程公司 、Fredericks公司以及美国数字公司。就国外产品种类而言， 其数量也较少，但从数字化、小型化、精度、重量、使用温度范围及线性度等指标而言，具有较高的实用价值 。如 LS系列产品分辨率可达到1.8，英国Clino公 司SP系列产品高度只有22rnm，特殊的可达到16mm，可用于一些特殊场合 。CrossBow 公司CXTA、美国数子公司A2产品均属于数字产品，可以通过接口板直接与计算机相连。同时在查阅的过程中可以看出，加速度传感器由于其动态性能好，精度高，因此在倾角测量中也得到广泛的应用。五、介绍三种常见
