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什么是“抗振型傾角傳感器”?

如題。: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-04-06

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傾角傳感器用途傾角傳感器可以用來測量相對于水平面的傾角變化量?；驹?理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。如果初速度已知，就可以通過積分計算出線速度，進而可以計算出直線位移。所以它其實是運用慣性原理的一種加速度傳感器。當(dāng)傾角傳感器靜止時也就是側(cè)面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了。隨著MEMS 技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器件在過去的幾年中成為最成功,應(yīng)用最廣泛的微機電系統(tǒng)器件之一，而微加速度計(microaccelerometer)就是慣性傳感器件的杰出代表。作為最成熟的慣性傳感器應(yīng)用，現(xiàn)在的MEMS 加速度計有非常高的集成度，即傳感系統(tǒng)與接口線路集成在一個芯片上。傾角傳感器把MCU，MEMS加速度計，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通訊單元全都集成在一塊非常小的電路板上面。可以直接輸出角度等傾斜數(shù)據(jù)，讓人們更方便的使用它。其特點是: 硅微機械傳感器測量(MEMS)以水平面為參面的雙軸傾角變化。輸出角度以水準(zhǔn)面為參考，基準(zhǔn)面可被再次校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)方式輸出，接口形式包括RS232、RS485和可定制等多種方式?？雇饨珉姶鸥蓴_能力強。承受沖擊振動10000G。[編輯本段]傾角傳感器分類傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測量，從工作原理上可分為“固體擺”式、“液體擺”式、“氣體擺”三種傾角傳感器，下面就它們的工作原理進行介紹。[編輯本段]“固體擺”式慣性器件固體擺在設(shè)計中廣泛采用力平衡式伺服系統(tǒng)，如圖1所示，其由擺錘、擺線、支架組成，擺錘受重力G和擺拉力T的作用，其合外力F為:(1) 其中，θ為擺線與垂直方向的夾角。在小角度范圍內(nèi)測量時，可以認(rèn)為F與θ成線性關(guān)系。如應(yīng)變式傾角傳感器就基于此原理。[編輯本段]“液體擺”式慣性器件液體擺的結(jié)構(gòu)原理是在玻璃殼體內(nèi)裝有導(dǎo)電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距相等，如圖2所示。當(dāng)殼體水平時，電極插入導(dǎo)電液的深度相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時，電極之間會形成離子電流，兩根電極之間的液體相當(dāng)于兩個電阻RI和RIII。若液體擺水平時，則RI=RIII。當(dāng)玻璃殼體傾斜時，電極間的導(dǎo)電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。如圖3所示，左邊電極浸入深度小，則導(dǎo)電液減少，導(dǎo)電的離子數(shù)減少，電阻RI增大，相對極則導(dǎo)電液增加，導(dǎo)電的離子數(shù)增加，而使電阻RIII 減少，即RI＞RIII。反之，若傾斜方向相反，則RI＜RIII。在液體擺的應(yīng)用中也有根據(jù)液體位置變化引起應(yīng)變片的變化，從而引起輸出電信號變化而感知傾角的變化。在實用中除此類型外，還有在電解質(zhì)溶液中留下一氣泡，當(dāng)裝置傾斜時氣泡會運動使電容發(fā)生變化而感應(yīng)出傾角的“液體擺”。[編輯本段]“氣體擺”式慣性器件氣體在受熱時受到浮升力的作用，如同固體擺和液體擺也具有的敏感質(zhì)量一樣，熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向上，因此也具有擺的特性。“氣體擺”式慣性元件由密閉腔體、氣體和熱線組成。當(dāng)腔體所在平面相對水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時，熱線的阻值發(fā)生變化，并且熱線阻值的變化是角度q或加速度的函數(shù)，因而也具有擺的效應(yīng)。其中熱線阻值的變化是氣體與熱線之間的能量交換引起的。 “氣體擺”式慣性器件的敏感機理基于密閉腔體中的能量傳遞，在密閉腔體中有氣體和熱線，熱線是唯一的熱源。當(dāng)裝置通電時，對氣體加熱。在熱線能量交換中對流是主要形式。對流傳熱的方程為:(2) 其中:h-熱量傳遞系數(shù)(w/m2×k)，s-熱線表面積(m2)，TH-熱線溫度(K)，TA-氣體溫度(K)。熱量傳遞系數(shù)h與流體的熱傳導(dǎo)率、動力學(xué)粘度、流體速度和熱線直徑有關(guān)，表示為:(3) 其中:Nu為-努塞爾(Nusselt)數(shù)，l-熱傳導(dǎo)率(W/mK)，Re-雷諾(Reynold)數(shù)，U-流體速度(m2/s),D-熱線的直徑(m),n-流體的動力學(xué)粘度。當(dāng)氣流以速度U垂直穿過熱線時，(4) 將(4)式代入(3)式得:(5) 根據(jù)熱平衡方程可得: 所以:(6) 假設(shè)和s為常數(shù)，則有:(7) 從式(7)可以看出，當(dāng)流體的動力學(xué)粘度、密度和熱傳導(dǎo)特性一定時，若熱線周圍流體的速度不同，則流過熱線的電流也不同，從而引起熱線兩端的電壓也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。氣體擺式慣性器件就是根據(jù)一原理研制的。氣體擺式檢測器件的核心敏感元件為熱線。電流流過熱線，熱線產(chǎn)生熱量，使熱線保持一定的溫度。熱線的溫度高于它周圍氣體的溫度，動能增加，所以氣體向上流動。在平衡狀態(tài)時，如圖4(a)所示，熱線處于同一水平面上，上升氣流穿過它們的速度相同，即V1=V1′，這時，氣流對熱線的影響相同，由式(7)可知，流過熱線的電流也相同，電橋平衡。當(dāng)密閉腔體傾斜時，熱線相對水平面的高度發(fā)生了變化，如圖4(b)所示，因為密閉腔體中氣體的流動是連續(xù)的，所以熱氣流在向上運動的過程中，依次經(jīng)過下部和上部的熱線。若忽略氣體上升過程中克服重力的能量損失，則穿過上部熱線的氣流已經(jīng)與下部熱線的產(chǎn)生熱交換，使穿過兩根熱線時的氣流速度不同，這時V2¢＞V2，因此流過兩根熱線的電流也會發(fā)生相應(yīng)的變化，所以電橋失去平衡，輸出一個電信號。傾斜角度不同，輸出的電信號也不同。[編輯本段]固、液、氣體擺性能比較就基于固體擺、液體擺及氣體擺原理研制的傾角傳感器而言，它們各有所長。在重力場中，固體擺的敏感質(zhì)量是擺錘質(zhì)量，液體擺的敏感質(zhì)量是電解液，而氣體擺的敏感質(zhì)量是氣體。氣體是密封腔體內(nèi)的唯一運動體，它的質(zhì)量較小，在大沖擊或高過載時產(chǎn)生的慣性力也很小，所以具有較強的抗振動或沖擊能力。但氣體運動控制較為復(fù)雜，影響其運動的因素較多，其精度無法達(dá)到軍用武器系統(tǒng)的要求。固體擺傾角傳感器有明確的擺長和擺心，其機理基本上與加速度傳感器相同。在實用中產(chǎn)品類型較多如電磁擺式，其產(chǎn)品測量范圍、精度及抗過載能力較高，在武器系統(tǒng)中應(yīng)用也較為廣泛。液體擺傾角傳感器介于兩者之間，但系統(tǒng)穩(wěn)定，在高精度系統(tǒng)中，應(yīng)用較為廣泛，且國內(nèi)外產(chǎn)品多為此類。: 回答者：網(wǎng)友

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