倾角传感器原理和发展

1、“固体摆”式惯性器件 ），

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）

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R_I3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R_I减少，即R_I＞R_III。反之，若倾斜方向相反，则R_I＜R_III。增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻R_III和R_III。若液体摆水平时，则R_I＝R_III。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

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

3 “气体摆”式惯性器件

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）

h—热量传递系数（

s(m²)—热线表面积

T_HK），—热线温度（

T_AK）。—气体温度（

热量传递系数h （3）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：

N_u为—努塞尔（Nusselt）数，

l热传导率（W/mK），—

R_e—雷诺（Reynold

Um²/s）,—流体速度（

D(m),—热线的直径

n流体的动力学粘度。—

U垂直穿过热线时， （4）

43）式得： （5）

(6)

和s （7）为常数，则有：

从式（7）可以看出，当流体的动力学粘度、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。

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V＞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，输出一个电信号。倾斜角度不同，输出的电信号也不同。₂₁＝V₁′

三、倾角传感器发展趋势与产品现状

表1

ClinoCrossBow 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ClinoSP22mm，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。

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参考资料

[1]. 张维胜，自动调平系统设计[D].研究生论文，2000.3

[2]. 吴道悌，非电量测量[M].西安交通大学出版社，1995.4

The Theory And Development Of Tilt Sensor

Abstract: This paper gives a brief account of theory and development of tilt sensor. The comparison ofsensor performance based on different working principle is given. At the same time, the parameters of some type oftilt sensors are given.

Keywords: Tilt Sensor , Working Principle, Solid Pendulum, Liquid Pendulum, Gas Pendulum

作者简介：

张维胜：第二炮兵第三研究所，（100085）