单轴倾角传感器 倾角传感器工作原理大揭秘

随着生产和科学的不断发展，角度测量越来越广泛地应用于工业科研等各个领域，并且随着技术水平和测量精度的不断提高。市场对传感器的需求越来越大。以倾角传感器为例，目前国内能自主生产的倾角传感器不多。根据定义，倾角传感器用于测量相对于水平面的倾角变化。换句话说，倾斜传感器实际上是利用惯性原理的加速度传感器。单从工作原理来说，可以分为三种倾角传感器:“固体摆”、“液体摆”和“气体摆”。

根据倾斜传感器的分类，安装在倾斜传感器中的轴的数量可以分为两类:单轴和双轴。单轴和双轴分别可以测量哪些角度？单轴倾斜传感器只能测量围绕一个轴的角度变化，而双轴倾斜传感器可以测量相对于两个轴的角度变化。我们所说的倾斜传感器可以水平和垂直安装。根据不同的安装方式，单轴和双轴倾斜传感器测量的角度是不同的。双轴可以测量侧翻和俯仰角，单轴只能在选择水平安装时测量侧翻或俯仰角。如果选择垂直安装时单轴只能测量侧翻角度，则俯仰角不是可选的。目前市场上有很多高分辨率的单轴倾角传感器。

其中:h-传热系数(w/m2×k)，s-热线表面积(m2)，th-热线温度(k)，ta-气体温度(k)。

传热系数h与流体的导热系数、动态粘度、流体速度和热线直径有关，表示为:(3)

其中Nu为——努塞尔数，l为——热导率(W/mK)，Re为——雷诺数，U为——流体速度(m2/s)，D为——热线直径(m)，n为——流体的动态粘度。

当气流以速度u垂直通过热线时，(4)

将公式(4)代入公式(3)得到:(5)

根据热平衡方程:

所以:(6)

假设和S为常数，则有:(7)

从方程(7)可以看出，当流体的动态粘度、密度和导热系数不变时，如果流体在热线周围的速度不同，流过热线的电流也会不同，会导致热线两端的电压发生相应的变化。气体摆式惯性器件是根据一种原理研制的。

气体摆检测装置的核心敏感元件是热线。电流流过热线，热线产生热量，使热线保持一定温度。热线的温度比周围气体的温度高，动能增加，所以气体向上流动。在平衡状态下，如图4(a)所示，热线在同一水平面上，上升气流通过它们的速度相同，即v1 = v1’。此时，气流对热线的影响是相同的，并且从等式(7)可以知道流过热线的电流是相同的，并且电桥是平衡的。当封闭腔倾斜时，热线相对于水平面的高度发生变化。如图4(b)所示，由于封闭型腔内的气流是连续的，在向上运动的过程中，热气流依次通过下部和上部热线。如果忽略气体上升过程中克服重力的能量损失，通过上热线的气流已经与下热线进行了热交换，使得气体在通过两根热线时流速不同。这时，V2&:分；> v2，所以流过两根火线的电流会相应变化，所以电桥失去平衡，输出一个电信号。不同的倾斜角输出的电信号是不同的。

二、倾角传感器的工作原理:固体、液体和气体摆性能的比较

就基于固体摆、液体摆和气体摆原理的倾角传感器而言，它们各有优势。在重力场中，固体摆的敏感质量是摆质量，液体摆的敏感质量是电解质，气体摆的敏感质量是气体。

气体是密封腔体中唯一的运动体，质量小，大冲击或高过载时产生的惯性力也小，因此具有很强的抗振或冲击能力。然而，气体运动的控制是复杂的，影响其运动的因素很多，因此其精度不能满足军用武器系统的要求。

固体摆倾斜传感器有确定的摆长和摆心，其机理与加速度传感器基本相同。在实践中，有许多类型的产品，如电磁摆，具有很高的测量范围、精度和抗过载能力，广泛应用于武器系统中。

液体倾斜传感器介于二者之间，但系统稳定，广泛应用于高精度系统，国内外大部分产品都是这种类型。

精密测控是一家专注于生产军用和工业级倾角、罗盘和陀螺仪传感器的公司，提供惯性导航系统、组合导航系统、惯性测量单元、航向姿态系统和物联网产品解决方案等多种自主研发的传感器。