倾角传感器的原理与应用介绍

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　　倾角传感器经常用于系统的水平测量，如工程车辆调平，和高空平台安全保护，定向卫星通讯天线的俯仰角测量，船舶航行姿态测量，盾构顶管应用，大坝检测，地质设备倾斜监测，火炮炮管初射角度测量，雷达车辆平台检测，卫星通讯车姿态检测。倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。
　　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，还有利用加速度传感器测量倾角。
　　倾角传感器分为单轴，双轴，单轴只能测一个方向上的倾角，双轴能同时测两个方向上的倾角。
　　一、“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，其由摆锤、摆线、支架组成，摆锤受重力G和摆拉力T的作用，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基于此原理。
　　二、“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，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。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”。
　　三、“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。
　　四、加速度传感器测倾角：
　　倾角传感器把MCU，MEMS加速度计，模数转换电路，通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。直接输出角度等倾斜数据。理论基础就是牛顿第二定律，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，就可以通过积分计算出线速度，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。 计算方式是加速度传感器输出信号经高精度模数转换后，交由混合信号处理器进行滤波、平滑、方差估计等处理后，获得精确的瞬时加速度。最终将精确瞬时加速度解算为倾角信息。
　　LCA316 是一款小体积低成本串口输出型单轴倾角传感器，采用电容微型摆锤原理，可选RS232;RS485 或TTL 电平接口标准。单轴倾角量测，量程±10～±90°可选，长期稳定性<0.1°，稳压电压5V 输入 ，输出方式0～5V，小体积29×24×11mm(可定制)
　　产品应用：电动盲人椅测平，云台运转监控，卫星天线定位，汽车底盘测量，四轮定位系统，激光水平仪，基于倾角的方向测量，红外成像仪器。

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