行业知识 | 细微的倾斜角度都能被察觉，倾角传感器的原理是什么？

 

 

倾角传感器又称作倾斜仪、测斜仪、水平仪、倾角计，经常用于系统的水平角度变化测量，是一种非常精确的测量小角度的检测工具，用它可测量被测平面相对于水平位置的倾斜度、两部件相互平行度和垂直度；已成为桥梁架设、铁路铺设、土木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能平台、机械加工等领域不可缺少的重要测量工具。

 

 

基础原理

牛顿第二定律

根据牛顿第二定律基本的物理原理，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。

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。

随着自动化和电子测量技术的发展，倾角传感器的种类也逐渐增多，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，接下来小明就来分别介绍一下他们的工作原理。

 

①固体摆

这是一种在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，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。其中，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，应变式倾角传感器就基于此原理。

②液体摆

它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。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。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

“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。

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，如左上图所示，热线处于同一水平面上，上升气流穿过它们的速度相同，即V1=V1，这时，气流对热线的影响相同，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。

如右图所示，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V2>V2，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，输出对应倾斜角度的电信号。

 

分析对比

固、液、气体摆性能差异

 

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固体摆和气体摆之间，其系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛。

 

 

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