新型倾角传感器设计

新型倾角传感器设计

摘要：该文利用石英晶片的压电特性，针对传统倾角传感器的缺点，提出了一种新型的倾角传感器设计方法。应用本文提出的设计方法设计出的传感器与其他传感器相比具有体积小，灵敏度高，抗干扰能力强等优点。同时对传感器的原理，结构，信号处理电路进行了分析。

关键词：石英晶片倾角传感器MEMS加工技术

倾角传感器经常用于系统的水平测量，垂直测量。通过对系统偏离水平位置的角度测量而反映出被测量对象偏离平衡位置的程度，进而给被测对象的制动控制提供控制信息，它广泛应用于建筑机械，航天飞行器，机器人，车轮校直等领域。在传统上，倾角传感器的工作原理可分为“固体摆”式，“液体摆”式和“气体摆”式三种［1］。固体摆是利用摆锤的重力始终指向大地的特性，当被测对象与水平或垂直方向上有某一倾角时，摆锤的摆拉力线将与悬挂平面的法线方向不重合，而有一角度偏移。该角度就是被测物体偏移水平或垂直位置的角度。液体摆的原理是利用电极之间导电液的电阻变化来反映偏移角度的大小。气体摆则利用气体在受热时因受到浮升力作用，热气流总是力图保持在铅垂方向上，在热气流的上方放置热敏感元件——热线，当封闭气体的腔体所在的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，阻值变化的多少就反映出倾角的大小。从上面的各式倾角传感器原理简介可看出，它们的结构中都需要利用

可运动的物体（摆锤、导电液、气体）和空隙来实现检测。因此，它们在强振动冲击或旋转环境中，测量精度将受到很大的影响，甚至无法使用。针对这些缺点，我们利用压电晶片作为敏感元件设计出一式新型的倾角传感器。

1 原理与结构

由物理学已知，一些离子晶体电介质如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等在机械压力的作用下会产生极化现象，都具有压电效应，而且力－电之间呈线性关系。因此利用压电材料这些性质，以它们作为敏感元件可以将它们制成力敏传感器，实现力－电转换。在本设计中，传感器的敏感元件用的是石英晶片，它具有以下优点：①压电常数小，其时间、温度稳定性极好，常温下几乎不变，在20～200℃范围内，它的温度变化率仅为0.016﹪。②它的机械强度和品质因素高，允许应压力高达16.8～9.87×107Pa,且刚度大，固有频率高，动态特性好。

③居里点573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。当被测量物体与地面垂直时，石英晶片在水平轴方向受力为零，此时输出也为零。

2 理论计算

对于石英晶体，它有d11,d12,d14, d25,d26五个压电常数存在，所以能将力转换为电荷的石英晶体变形有以下五种：①厚度变形②长度变形③面剪切变形④厚度剪切变形⑤弯曲变形。若石英晶片采用圆形切片，并且在其圆周垫上刚性材料，则只需考虑它的厚度变形。在

垂直于石英晶片切面的机械力作用下，并在它的弹性限内，厚度变形时产生的电荷为

3 信号处理

由于电荷输出较小且不直观，故需要采用电荷放大器将其放大并转换为电压输出，以便于测量，电荷放大及转换电路，见如图1，其等效电路如图2所示。

经过等效电路分析可得到

信号处理电路如图3所示。

图中AD544L电路用于电荷放大，μA776及其周围电路用于增益放大调节，调零。另外一路信号处理电路与此相同。

4 功能简述与结论

该传感器充分利用石英晶片高灵敏度的特性，综合现代MEMS 加工技术，使得它具有高精确度和稳定性，并且具有体积小、重量轻、性能优异及功能强大等优点；由于质量块与石英晶片之间无间隙，并采用高强度密封包装技术，从而克服了以往倾角传感器因惯性带来的不利影响，使得它能经受住高频率的振动，同时具有良好的动态响应能力。它既能测量静态倾角，由能测量动态角度（如旋转角度）；在测量位移的应用中既能检测到被测对象的翻滚，由能检测仰角，还能测量出倾角的方向；对比常规的电介质、水银、热能等斜角测量仪精度更高，抗干扰能力更强。

参考文献

[1] 张维胜.倾角传感器原理与发展[J].传感器世界,2002(8).

[2] 慈勤蓬，杨鹤立.汽车四轮定位装置及倾角传感器的应用[J].传感器世界,2002(9):33-36.

[3] 单传祥.传感器的理论与设计基础及应用[M].北京：国防工业出版社.

[4] 黄贤武.传感器原理实际应用电路设计[M].电子科技大学出版社.

[5] 冯英.传感器电路原理与制作[M].北京：国防工业出版社.