摘要：本文簡(jiǎn)述了傾角傳感器的原理和發(fā)展?fàn)顩r。對(duì)幾種原理的傾角傳感器的性能作了比較，并給出了相應(yīng)產(chǎn)品的性能參數(shù)。

　　一、傾角傳感器原理

　　傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測(cè)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(jìn)行介紹。

　　１、“固體擺”式慣性器件

　　固體擺在設(shè)計(jì)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：　　　　�。ǎ保�

　　其中，θ為擺線與垂直方向的夾角。在小角度范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，可以認(rèn)為ｆ與θ成線性關(guān)系。如應(yīng)變式傾角傳感器就是基于此原理。

　�。�、“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(shí)，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(shí)，電極之間會(huì)形成離子電流，兩根電極之間的液體相當(dāng)于兩個(gè)電阻ｒｉ和ｒｉｉｉ。若液體擺水平時(shí)，則ｒｉ＝ｒｉｉｉ。當(dāng)玻璃殼體傾斜時(shí)，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(duì)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(hào)變化而感知傾角的變化。在實(shí)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(shí)氣泡會(huì)運(yùn)動(dòng)使電容發(fā)生變化而感應(yīng)出傾角的“液體擺”。

　�。场　皻怏w擺”式慣性器件

　　氣體在受熱時(shí)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�！皻怏w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(duì)水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時(shí)，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(jī)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(shí)，對(duì)氣體加熱。在熱線能量交換中對(duì)流是主要形式。

　　對(duì)流傳熱的方程為：　（２）

　　其中：ｈ—熱量傳遞系數(shù)（　�。　　　　。蟆獰峋�表面積（ｍ２），�。簦琛獰峋�溫度（ｋ），ｔａ—?dú)怏w溫度（ｋ）�！崃總鬟f系數(shù)ｈ與流體的熱傳導(dǎo)率、動(dòng)力學(xué)粘度、流體速度和熱線直徑有關(guān)，表示為：　　　　　　�。ǎ常　　　　∑渲校海睿鯙椤麪枺ǎ睿酰螅螅澹欤簦⿺�(shù)，　　　　�。臁獰醾鲗�(dǎo)率（ｗ／ｍｋ），　　　　�。颍濉　±字Z（ｒｅｙｎｏｌｄ）數(shù)，　　　　　ｕ—流體速度（ｍ２／ｓ），　　　　�。洹獰峋�的直徑（ｍ），　　　　�。睢黧w的動(dòng)力學(xué)粘度�！　　　　‘�(dāng)氣流以速度ｕ垂直穿過(guò)熱線時(shí)，　�。ǎ矗　　　　ⅲǎ矗┦酱耄ǎ常┦降茫骸。ǎ担　　　　「鶕�(jù)熱平衡方程可得：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　所以：　�。ǎ叮　　　　〖僭O(shè)　　和ｓ為常數(shù)，則有：　�。ǎ罚　　　　　　　　　氖剑ǎ罚┛梢钥闯�，當(dāng)流體的動(dòng)力學(xué)粘度、密度和熱傳導(dǎo)特性一定時(shí)，若熱線周圍流體的速度不同，則流過(guò)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)這一原理研制的。

　　氣體擺式檢測(cè)器件的核心敏感元件為熱線。電流流過(guò)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(dòng)能增加，所以氣體向上流動(dòng)。在平衡狀態(tài)時(shí)，如圖４（ａ）所示，熱線處于同一水平面上，上升氣流穿過(guò)它們的速度相同，即ｖ１＝ｖ１′，這時(shí)，氣流對(duì)熱線的影響相同，由式（７）可知，流過(guò)熱線的電流也相同，電橋平衡。當(dāng)密閉腔體傾斜時(shí)，熱線相對(duì)水平面的高度發(fā)生了變化，如圖４（ｂ）所示，因?yàn)槊荛]腔體中體的流動(dòng)是連續(xù)的，所以熱氣流在向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，依次經(jīng)過(guò)下部和上部的熱線。若忽略氣體上升過(guò)程中克服重力的能量損失，則穿過(guò)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(guò)兩根熱線時(shí)的氣流速度不同，這時(shí)ｖ２？＞ｖ２，因此流過(guò)兩根熱線的電流也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，所以電橋失去平衡，輸出一個(gè)電信號(hào)。傾斜角度不同，輸出的電信號(hào)也不同。

　　二、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(zhǎng)。在重力場(chǎng)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(yùn)動(dòng)體，它的