傾角傳感器原理及選型

傾角傳感器可以用來測量相對于水平面的傾角變化量。理論基礎就是牛頓第二定律，根據基本的物理原理，在一個系統內部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。如果初速度已知，就可以通過積分計算出線速度，進而可以計算出直線位移。所以它其實是運用慣性原理的一種加速度傳感器。

當傾角傳感器靜止時也就是側面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了。

隨著MEMS 技術的發展，慣性傳感器件在過去的幾年中成為最成功,應用最廣泛的微機電系統器件之一，而微加速度計（microaccelerometer）就是慣性傳感器件的杰出代表。作為最成熟的慣性傳感器應用，現在的MEMS 加速度計有非常高的集成度，即傳感系統與接口線路集成在一個芯片上。

傾角傳感器把MCU，MEMS加速度計，模數轉換電路，通訊單元全都集成在一塊非常小的電路板上面。可以直接輸出角度等傾斜數據，讓人們更方便的使用它。

其特點是：硅微機械傳感器測量（MEMS）以水平面為參面的雙軸傾角變化。輸出角度以水準面為參考，基準面可被再次校準。數據方式輸出，接口形式包括RS232、RS485和可定制等多種方式。抗外界電磁干擾能力強。 

一、傾角傳感器原理

傾角傳感器經常用于系統的水平測量，從工作原理上可分為“固體擺”式、“液體擺”式、“氣體擺”三種傾角傳感器，下面就它們的工作原理進行介紹。

1、“固體擺”式慣性器件

固體擺在設計中廣泛采用力平衡式伺服系統，如圖1所示，其由擺錘、擺線、支架組成， 擺錘受重力G和擺拉力T的作用，其合外力F為：（1）

其中，θ為擺線與垂直方向的夾角。在小角度范圍內測量時，

可以認為F與θ成線性關系。如應變式傾角傳感器就基于此原理。

2、“液體擺”式慣性器件

液體擺的結構原理是在玻璃殼體內裝有導電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距相等，如圖2所示。當殼體水平時，電極插入導電液的深度相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時，電極之間會形成離子電流，兩根電極之間的液體相當于兩個電阻RI和RIII。若液體擺水平時，則RI＝RIII。當玻璃殼體傾斜時，電極間的導電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。如圖3所示，左邊電極浸入深度小，則導電液減少，導電的離子數減少，電阻RI增大，相對極則導電液增加，導電的離子數增加，而使電阻RIII 減少，即RI＞RIII。反之，若傾斜方向相反，則RI＜RIII。

在液體擺的應用中也有根據液體位置變化引起應變片的變化，從而引起輸出電信號變化而感知傾角的變化。在實用中除此類型外，還有在電解質溶液中留下一氣泡，當裝置傾斜時氣泡會運動使電容發生變化而感應出傾角的“液體擺”。

3、“氣體擺”式慣性器件

　　　氣體在受熱時受到浮升力的作用，如同固體擺和液體擺也具有的敏感質量一樣，熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向上，因此也具有擺的特性。“氣體擺”式慣性元件由密閉腔體、氣體和熱線組成。當腔體所在平面相對水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時，熱線的阻值發生變化，并且熱線阻值的變化是角度q或加速度的函數，因而也具有擺的效應。其中熱線阻值的變化是氣體與熱線之間的能量交換引起的。

“氣體擺”式慣性器件的敏感機理基于密閉腔體中的能量傳遞，在密閉腔體中有氣體和熱線，熱線是唯一的熱源。當裝置通電時，對氣體加熱。在熱線能量交換中對流是主要形式。對流傳熱的方程為：

其中：h—熱量傳遞系數（w/m2×k），s—熱線表面積(m2)，TH—熱線溫度（K），TA—氣體溫度（K）。

熱量傳遞系數h與流體的熱傳導率、動力學粘度、流體速度和熱線直徑有關，表示為：

其中：Nu為—努塞爾（Nusselt）數，l—熱傳導率（W/mK），Re—雷諾（Reynold）數，U—流體速度（m2/s）,D—熱線的直徑（m）,n—流體的動力學粘度。

　　當氣流以速度U垂直穿過熱線時，

將（4）式代入（3）式得：

根據熱平衡方程可得：

所以：

 

假設和s為常數，則有：

從式（7）可以看出，當流體的動力學粘度、密度和熱傳導特性一定時，若熱線周圍流體的速度不同，則流過熱線的電流也不同，從而引起熱線兩端的電壓也產生相應的變化。氣體擺式慣性器件就是根據一原理研制的。

氣體擺式檢測器件的核心敏感元件為熱線。電流流過熱線，熱線產生熱量，使熱線保持一定的溫度。熱線的溫度高于它周圍氣體的溫度，動能增加，所以氣體向上流動。在平衡狀態時，如圖4(a)所示，熱線處于同一水平面上，上升氣流穿過它們的速度相同，即V1＝V1′，這時，氣流對熱線的影響相同，由式（7）可知，流過熱線的電流也相同，電橋平衡。當密閉腔體傾斜時，熱線相對水平面的高度發生了變化，如圖4(b)所示，因為密閉腔體中氣體的流動是連續的，所以熱氣流在向上運動的過程中，依次經過下部和上部的熱線。若忽略氣體上升過程中克服重力的能量損失，則穿過上部熱線的氣流已經與下部熱線的產生熱交換，使穿過兩根熱線時的氣流速度不同，這時V2′＞V2，因此流過兩根熱線的電流也會發生相應的變化，所以電橋失去平衡，輸出一個電信號。傾斜角度不同，輸出的電信號也不同。

二、固、液、氣體擺性能比較與選型

就基于固體擺、液體擺及氣體擺原理研制的傾角傳感器而言，它們各有所長。在重力場中，固體擺的敏感質量是擺錘質量，液體擺的敏感質量是電解液，而氣體擺的敏感質量是氣體。

氣體是密封腔體內的唯一運動體，它的質量較小，在大沖擊或高過載時產生的慣性力也很小，所以具有較強的抗振動或沖擊能力。但氣體運動控制較為復雜，影響其運動的因素較多，其精度無法達到軍用武器系統的要求。

固體擺傾角傳感器有明確的擺長和擺心，其機理基本上與加速度傳感器相同。在實用中產品類型較多如電磁擺式，其產品測量范圍、精度及抗過載能力較高，在武器系統中應用也較為廣泛。

液體擺傾角傳感器介于兩者之間，但系統穩定，在高精度系統中，應用較為廣泛，且國內外產品多為此類。

如何選用傾角傳感器？

零點穩定性和分辨率是選擇傾角傳感器重要的參數。如果穩定性不好，會影響到儀器的測量精度。分辨率是能檢測出的最小角度/加速度單位。

長期穩定性是另外一個重要的指標。根據應用來選擇合適的穩定性，例如應用環境和是否經常需要重新標定。

傳感器自身的噪聲和電磁干擾決定傳感器的分辨率。通過優化EMC保護來抗這些電磁干擾，使得精度最大化。

靈敏度，越靈敏越好，能得到更準確的測量值，但是靈敏度高相對于測量范圍就窄，所以要從需求出發，不能一味追求靈敏度增加成本。