倾角传感器 简介教材

二、基本原理
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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1，固体摆式倾角传感器
倾角传感器
倾角传感器的定义 倾角传感器的原理 应用
一、倾角传感器的定义
理论基础是牛顿第二定律 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 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。
当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用， 那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度 传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。
例：一种固体摆电容倾角传感
如图所示，其敏感部分设 计成圆弧形状，尽管不是 平行极板，但是摆锤与两 极板之间的间距是均匀一 致的，绝缘层把圆弧分成 X+极和X-极两个独立部分， 且极板与摆锤的宽度是一 样的。这样设计主要是利 用摆锤受重力影响变化使 摆锤与极板之间的覆盖面 积改变使倾斜角度的变化 和电容量大小变化有很好 的线性变化。
如图所示，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 =G sinθ=mg sinθ 式中的θ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θ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距相等， 如图所示。
“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。
4. 固、液、气体摆性能比较
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。
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：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
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RI和RIII。
若液体摆水平时，则RI＝RIII。
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。如图所示，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增大，相对极则导电液增加，导电 的离子数增加，而使电阻RIII 减少，即RI ＞RIII。
反之，若倾斜方向相反，则RI＜RIII。
3. 气体摆式倾角传感器
“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。
在没倾斜时，摆锤在两极板的中间，即与X+极和X-极产生的电容量 C0大小相等
当被测物发生倾斜时，即摆锤向左摆，X+极和摆锤的正对覆盖面 积增加，而X-极和摆锤的正对覆盖面积减小。这样电容就发生了 变化。
当被测物没倾斜时，两极板和摆锤的电容为：
当被测物发生θ角度倾斜时，电极之间有效覆盖面积的变化量为： 所以变化前后的电容为：
三、倾角传感器的应用
●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S
高精度倾角传感器，高精度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。
● 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.
●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。
●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