详解倾角传感器的分类及工作原理

　　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

　　如上图所示，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=Gsinθ=mgsinθ

　　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，如下图所示。

　　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。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。

　　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。

　　对流传热的方程为：

　　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：

　　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，

　　将(4)式代入(3)式得：

　　根据热平衡方程可得：

　　所以：

　　假设和s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。