倾角传感器的原理公式及安装使用方法,倾角传感器

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倾角传感器的原理公式及安装使用方法

发布时间 : 2021-12-28 11:13:07      访问量 : 2823次

倾角传感器的原理公示及安装使用方法

随着生产和科学的不断发展,角度测量越来越广泛的应用于工业科研等各领域,随着技术水平和测量准确度也在不断提高。市场对于传感器的需求也是越来越大,单从定义上来看倾角传感器是用来测量相对于水平面的倾角变化量,换句话说倾角传感器其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。


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。


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。


固体摆式倾角传感器

一文读懂倾角传感器原理及其应用


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。


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。

一文读懂倾角传感器原理及其应用


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。

一文读懂倾角传感器原理及其应用


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而感知倾角的变化。在实用中除此类型外,还有在电解质溶液中留下一气泡,当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆”。


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。


“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。

一文读懂倾角传感器原理及其应用


对流传热的方程为:

一文读懂倾角传感器原理及其应用


其中:h—热量传递系数(w/m2×k),s—热线表面积(m2),TH—热线温度(K),TA—气体温度(K)。


热量传递系数h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:

一文读懂倾角传感器原理及其应用


其中:Nu为—努塞尔(Nusselt)数,l—热传导率(W/mK),Re—雷诺(Reynold)数,U—流体速度(m2/s),D—热线的直径(m),n—流体的动力学粘度。


当气流以速度U垂直穿过热线时,

一文读懂倾角传感器原理及其应用


将(4)式代入(3)式得:

一文读懂倾角传感器原理及其应用


根据热平衡方程可得:

一文读懂倾角传感器原理及其应用


所以:

一文读懂倾角传感器原理及其应用


假设和s为常数,则有:

一文读懂倾角传感器原理及其应用


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一原理研制的。


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,如图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V1=V1′,这时,气流对热线的影响相同,由式(7)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,输出一个电信号。倾斜角度不同,输出的电信号也不同。


固、液、气体摆性能比较


就基于固体摆、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两者之间,但系统稳定,在高精度系统中,应用较为广泛,且国内外产品多为此类。


在安装传感器时,不正确安装会导致测量角度误差大。要保证‘两面’和‘两线’的正确安装,安装时请注意以下几点: 

1.‘两面’指传感器安装面与被测物体的安装面完全紧靠(被测物体的安装面要尽可能水平),不能有夹角产生 

2.‘两线’指传感器轴线与被测面轴线平行,两轴线不能有夹角产生 

3.防爆的必要性:防爆形式分为隔爆型和本安型,长野产品多数为隔爆型。 

4.是否需要带指示:根据客户指示。 

5. 接点数量:一接点(一个输出)或两接点(两个输出)。 

6.设定值和压力范围的确定:推荐设定范围在压力范围的30%—65%之间,可设定范围为压力范围的15%—90%之间。 

7.接断差的形式:可调式或固定式。 

8.是否有脉动:如果压力有脉动或振动,需要带节流阀用以抑制脉动压力对仪表的损伤。 

9.带隔膜的场合:测定腐蚀性、高黏度或温度过高时,需要选用带隔膜。 


倾角传感器在安装的时候是有一定的技巧,一般的倾角传感器都会有内置零位调整,所以用户可以根据要求定制零位调整按钮,从而实现在一定的角度置零的功能。在倾角传感器的安装之前,需要确定你的安装位置和你需要测量什么角度是相对于哪个平面,例如在相对某个平面的角度,安装时只要将传感器固定在一定的平面,测量前使用零位按钮实现清零功能,这样主要是方便读取角度,减少不必要的误差。

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