倾角传感器说明.docx

倾角传感器简介3.1倾角传感器的分类与比较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,他们的原理分别介绍如下:3・1・1固体摆式倾角传感器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G和摆拉力T的作用，其合外力F为：Pl= Gf sin =机吕 sin 3 （〔）式中的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 与成线性关系如应变式倾角传感器就是基于此原理3・1・2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RI3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减少，即RI>RIII。

反之，若 倾斜方向相反，则RIVRIII增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加， 而使电阻RIII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”3.1.3气体摆式倾角传感器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。

对流传热的方程为：乂 = ^十沁=加（几-D⑵其中：h—热量传递系数（即伽'乐），s—热线表面积（m2），5—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,(3)表示为：其中：Nu—为努塞尔（Nusselt）数， 一热传导率（W/mK），Re—雷诺（Reynold）,U—流体速度（m2/s）,D—热线的直径（m）,n—流体的动力学粘度 当气体以流体速度U垂直穿过热线时，N = 2.4 + 1.6^ 03jLA. d(4)^ = —r2.4 + 1.6J< 1将（4）式带入（3）式式得： （5）根据热平衡方程得：a =…=岬厂匚汀叙謨+1肌字严也=孰“严也-处所以，「冷2必&⑹ 假设a "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，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V7）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 V>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3・1・4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3.2 SCA100T双轴倾角传感器简介3.2.1 SCA100T传感器结构和特性SCA100T传感器是芬兰VTI公司2005年最新推出的利用MEMS技术开发生 产的高精度双轴倾角传感器体积小重轻仅1.2克MEMS（micro electro mechanical system）是二十一世纪的前沿技术，采 用MEMS技术可以在硅芯片加工出完整的微型电子机械系统，包含了微型传感器、 微型机械结构、以及信号处理和控制电路、通讯接口等于一体的微型器件，把信 息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到新的高度该器件内部包含了一个硅敏感微电容传感器和一个 ASIC 专用集成电路,ASIC电路集成EEPROM存储器、信号放大器、A/D转换器、温度传感器和SPI串行通信接口组成了一个完整的数字化传感器，有±30°和±90°两种量程3.2.2 SCA100T的主要特性SCA100T传感器主要特性如下：1） XY双轴高分辨率双向测量；2） 单电源+5VDC供电，工作电流3Ma；3） 串行外部接口（SPI）兼容，输出倾角和温度信号；4） 量程±30°（±0.5g）或±90° （±1.0g）；5） 输出灵敏度 4V/g（±0.5g）或 2V/g（±1.0g）；6） 模拟量输出和11位数字量输出；7） A/D转换时间150毫秒；8） 内置温度传感器和温度补偿；9） 数字激活内部故障自测试；10） 长期稳定性高；11） 噪声低，工作温度范围宽（-40°C〜+125°C）；12） 可承受超过20000g的机械冲击3.2.3 SCA100T的电器条件和极限条件最小值典型值最大值单位供电4,7555.25V消耗电流46inA模拟输出阻抗K)kQ模拟输出阻抗20nF数字输出凰抗1nFSPI输出频率500KHZAD转换时司150A s数据转换时间38msSCA1OOT的极限条件如下图所示:值单位加速度〔1■电或者没有1•电）20000G供电-03 到 5.5V输入输出引脚电压-03 到 Vdd+03V温度-55 到 125摄氏度3.2.4 SCA100T的封装和引脚功能5.0&SCA100T倾角传感器件采用塑料SMD封装,DIL-12脚,无铅回流焊接，引脚在说 明和排列分别见表：1558^1方向SWIOQf-AXXXXX；丨I二丨丨』I丨』 可 nfr njr njr12 3 4尺 J 9*5* 16mm, f L 2g\、一产品型号序列号 —[1 、LEEtf /3.03 ■引脚引脚名字I/O连接1SCKJnpntSerial clock21InputX axis external Capacitor input(Ch 1)3MISOOutputMaster in slave out: data output4M1S1InputMiL5lerou( slave in: input5Out_2OutputY釉输出6VSS卩Negate supply voltage(VSS)7CSBJnpntChip stlect(active Jow)8Ext_C_2InputY axis external Capacitor inpuUCh 2)9ST_2InputSelf test input for Y axis(Ch 2)10ST_1/Tes(_inInputSelf test input for X axisfCh)11Out_1OutputX轴输出12VDD卩 ower供电SCA100T的引脚功能3・2・4 SCA100T的优势与应用SCA100T倾角传感器和传统的倾角传感器相比，具有长期稳定性好，温度 特性优良，抗冲击能力强，测量精确度高，测量方便等等优势。

SCA100T倾角传感器广泛应用于双轴平台调平，倾角测量，垂直方向的各 种角度的测来3.3倾角传感器发展趋势与产品现状目前生产倾角传感器的厂商较少，但就产品而言，单轴倾角传感器居多， 且分辨率较高就国内产品而言，传感器与电路集成较少，且大多只提供模拟量 输出就传感器发展状况而言，从收集资料看，北京信息工程学院的产品在小 型化及产品精度等指标方面较领先，如膜电位倾角传感器就网络查询反馈看， 产品主要集中在欧美几家大公司，如英国的Clino公司、德国的西门子公司、 美国的CrossBow Technology公司、Atmos工程公司、Fredericks公司以及美 国数字公司就国外产品种类而言，其数量也较少，但从数字化、小型化、精 度、重量、使用温度范围及线性度等指标而言，具有较高的实用价值如LS 系列产品分辨率可达到1.8，英国Clino公司SP系列产品高度只有22rnm，特 殊的可达到16mm，可用于一些特殊场合CrossBow公司CXTA、美国数子公司 A2产品均属于数字产品，可以通过接口板直接与计算机相连同时在查阅的过 程中可以看出，加速度传感器由于其动态性能好，精度高，因此在倾角测量中也 得到广泛的应用。

倾角测量在地球上任何位置的物体都受到重力的作用（F二mgn），即任意的质量块 会受到一个重力加速度的作用，采用加速度传感器即可测出这个重力加速度把 加速度传感器固定在物体的水平面上，则加速度传感器感受到的加速度a = gn;0当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴随之转动角度，则传感器受到的加速 度变为a = gncos，如图1所示，因此可以通过测量加速度的变化来反映物体姿1态的变化用双轴倾角测量时，其原理是用欧拉角的形式表示一个坐标系的转动，设 OENg为定坐标系，有一动坐标系OXYZ，起始时刻与定坐标系各轴重合，经过 0 0 0绕E轴、N轴0、''角转动之后，达到它的新位置OXYZ则有5・2・2 SCA100T双轴倾角传感器原理本系统采用S。