对几种原理的的性能作了比较，并给出了相应产品的性能参数

　　一、倾角传感器原理

　　倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，下面就它们的工作原理进行介绍

　　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ＧGPS和摆拉力Ｔ的作用，其合外力Ｆ为： （１）

　　其中，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”式惯性器件

　　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ＲＩ和ＲＩＩＩ
　　
　　若惯性导航液体摆水平时，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３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”

　　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，并且惯性导xxx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{wy}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：参详：GPS，惯性导航，倾角传感器，陀螺仪（）

　　（２）其中：ｈ—热量传递系数（ ）， 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： （３）其中：Ｎｕ为—努塞尔（Ｎｕｓｓｅｌｔ）GPS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，

　　（４）将（４）式代入（３）式得：

　　（５）根据热平衡方程可得：所以GPS： （６） 假设 和ｓ为常数，则有： （７） 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
　　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，陀螺仪动能增加，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，使穿过两根陀螺仪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 。

Tags:
本文网址：