發布日期：2022-10-09 點擊率：72
傾角傳感器原理圖：MEMS傾角傳感器工作原理 第1張" title="傾角傳感器原理圖：MEMS傾角傳感器工作原理 第1張-傳感器知識網"/>
傾角傳感器根據內部結構主要有三種不同的原理，固態，液態，氣態傾角傳感器,工用行業一般
傾角傳感器的定義
用于測量載體相對于某個參考平面傾斜角度的傳感器.
基本原理
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。
承受沖擊振動G。
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
“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。
?
“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，三根傾角傳感器
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”。
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：（2）
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：（3）
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，（4）
將（4）式代入（3）式得：（5）
根據熱平衡方程可得：
所以：（6）
假設和s為常數，則有：（7）
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。
固、液、氣體擺性能比較
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。
MEMS工藝的傾角傳感器
和所有加速度計一樣，傳感器單元是差動電容器，其輸出與加速度成比例。加速度計的性能依賴于傳感器的結構設計。差動電容是由懸臂梁構成，而懸臂梁是由很多相間分布的指狀電容電極副構成，一副指狀電容電極可簡化為圖1所示的結構:
每個指狀電極的電容正比例于固定電極和移動電極之間的重疊面積以及移動電極的位移。顯然，這些都是很小的電容器，并且，為了降低噪聲和提高分辨力，實際上需要盡可能大的差動電容。
懸臂梁的運動是由支撐它的多晶硅彈簧控制。這些彈簧和懸臂梁的質量遵守牛頓第二定律：質量為m的物體，因受力F而產生加速度a，則F=ma。而彈簧的形變與所受力的大小成比例，即F=kx，所以
X=(m/k)a
式中 x為位移，單位：m；m為質量，單位：kg；a為加速度，單位：m／s ；k為彈簧剛度系數，單位：N／m。
? 因此，僅有支撐彈簧的剛度和懸臂梁的質量2個參數是可控的。減小彈簧系數似乎是提高懸臂梁靈敏度的一種容易方法，但懸臂梁的共振頻率正比例于彈簧系數，所以，減小彈簧系數導致懸臂梁共振頻率降低，而加速度計必須工作在共振頻率之下。此外，增大彈簧系數使懸臂粱更堅固。所以，如果保持盡可能高的彈簧系數，只有懸臂梁的質量參數是可變化的。通常，增大質量意味著增大傳感器的面積，從而使懸臂梁增大。在ADXL202中，設計出一個新穎的懸臂梁結構。構成X軸和y軸可變電容的指狀電極沿著一個正方形四周的懸臂梁集成，從而使整個傳感器的面積減小，而且，共用的大質量的懸臂梁提高分辨力。位于懸臂梁四角的彈簧懸掛系統用以使X軸和y軸的靈敏度耦合減小到最小。
每個指狀電極的電容正比例于固定電極和移動電極之間的重疊面積以及移動電極的位移。顯然，這些都是很小的電容器，并且，為了降低噪聲和提高分辨力，實際上需要盡可能大的差動電容。
懸臂梁的運動是由支撐它的多晶硅彈簧控制。這些彈簧和懸臂梁的質量遵守牛頓第二定律：質量為m的物體，因受力F而產生加速度a，則F=ma。而彈簧的形變與所受力的大小成比例，即F=kx，所以
X=(m/k)a
式中 x為位移，單位：m；m為質量，單位：kg；a為加速度，單位：m／s ；k為彈簧剛度系數，單位：N／m。
? 因此，僅有支撐彈簧的剛度和懸臂梁的質量2個參數是可控的。減小彈簧系數似乎是提高懸臂梁靈敏度的一種容易方法，但懸臂梁的共振頻率正比例于彈簧系數，所以，減小彈簧系數導致懸臂梁共振頻率降低，而加速度計必須工作在共振頻率之下。此外，增大彈簧系數使懸臂粱更堅固。所以，如果保持盡可能高的彈簧系數，只有懸臂梁的質量參數是可變化的。通常，增大質量意味著增大傳感器的面積，從而使懸臂梁增大。在ADXL202中，設計出一個新穎的懸臂梁結構。構成X軸和y軸可變電容的指狀電極沿著一個正方形四周的懸臂梁集成，從而使整個傳感器的面積減小，而且，共用的大質量的懸臂梁提高分辨力。位于懸臂梁四角的彈簧懸掛系統用以使X軸和y軸的靈敏度耦合減小到最小。
?
典型應用場合
角度測量，水平調整，零位調整傾角開關（十二路開關信號），
安全控制，監控，報警機械臂，大壩，建筑，橋梁角度測量
對準控制，彎曲控制。初始位置控制，傾角姿態記錄儀汽車四輪定位
傾角傳感器應用特點
可以調節輸出頻率，內置零位調整，可以根據要求定制零位調整按鈕，從而實現在一定的角度置零的功能。這對于要測量相對傾角的場合非常有用。使用完畢后可以重新回歸零位。傾角傳感器在這種場合使用，只要將傳感器固定在一定的平面，測量前使用零位按鈕實現清零功能，傳感器在此之后讀出來的數據就是相對于該平面的相對傾角。
濾波功能：
當要求輸出比較穩定時，建議使用比較平緩的輸出，以使輸出的值趨向平和，而變化不至于太劇烈。如果要求非常及時的輸出，比如在測量有較高頻率的振動的場合，可以使用高頻輸出，不過，輸出會因為響應時間非常短而不穩定。同時，可以使用內部濾波功能，以實現在振動場合測量傾角的目標。
全量程傾角測量：
通過雙軸的配合，可以實現360度傾角的測量。目前產品已經非常穩定。在一些需要進行全量程傾角測量的場合，選擇360度產品是比較理想的。
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發布時間: 06-12-2016
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原標題：傾角傳感器工作原理大揭秘
隨著生產和科學的不斷發展,角度測量越來越廣泛的應用于工業科研等各領域,隨著技術水平和測量準確度也在不斷提高。 市場對于傳感器的需求也是越來越大，以傾角傳感器為例，目前國內能自主生產傾角傳感器的并不是很多，單從定義上來看傾角傳感器是用來測量相對于水平面的傾角變化量，換句話說傾角傳感器其實 是運用慣性原理的一種 加速度傳感器 。單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。
從傾角傳感器的分類來看傾角傳感器安裝軸數分類可以分為單軸和雙軸兩個種類，單軸和雙軸分別能測量什么角度，單軸傾角傳感器只可以測繞一個軸產生的角度變化，雙軸可以測相對與兩個軸的角度變化，我們所說的傾角傳感器可以水平安裝和垂直安裝，根據安裝的方式不同，單軸和雙軸傾角傳感器測量的角度也不同，雙軸可以測量翻轉和俯仰角，而單軸在選擇水平安裝時只能測翻轉角或俯仰角，如果單軸在選擇垂直安裝時只能測翻轉角，俯仰角不可選，目前市場上單軸傾角傳感器居多，且分辨率較高。
1、傾角傳感器原理“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：
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。一般來說應變式傾角傳感器就基于此原理。
2、傾角傳感器原理“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
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、傾角傳感器原理“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：（2）
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：（3）
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，（4）
將（4）式代入（3）式得：（5）
根據熱平衡方程可得：
所以：（6）
假設和s為常數，則有：（7）
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、傾角傳感器工作原理：固、液、氣體擺性能比較
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。
精準測控是一家專注于軍、工業級傾角、羅盤，陀螺儀傳感器生產，提供慣性導航系統、組合導航系統、IMU、航姿系統等多種自主研發的傳感器以及物聯網產品解決方案。返回搜狐，查看更多
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傾角傳感器的工作原理
?
傾角傳感器原理
傾角傳感器的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。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。
傾角傳感器應用范圍
1
、在潛艇上水平臺校準上應用，羅經、計程儀都對水平度要求很高，便攜
式水平校準儀。
2
、基槽清平機上應用，用于地基基槽和農田地面平整。對平整度進行監測
和控制。
3
、水田平地機，用于南方水田土壤平整，水田精細平整技術是在水稻生產
過程中節約灌溉用水、提高肥料利用率、抑制雜草生長，提高水稻產量、減少生
產成本的重要措施。
4
、傾角傳感器在車載光電跟蹤設備上應用。在光電跟蹤設備基座上安裝雙
軸傾角傳感器，實時監測基座的水平度，保證車載光電跟蹤設備高精度工作。
5
、傾角傳感器用于城市管道機器人。
6
、傾角傳感器在船舶氣囊下水過程中的應用。
7
、傾角傳感器在船載水平平臺上應用，用于船載衛星跟蹤天線的底座，以
保持天線始終處于水平狀態，
對平臺進行實時控制，
可以隔離船體的俯仰和橫滾
運動，使平臺處于水平。
8
、傾角傳感器在大型光電設備基準平面自動調平系統上的應用。由安裝在
基座上的傾角傳感器檢測基準平面的傾角大小及方向，
將此角度根據調平算法換
算為若干個機械支腿的伸長量，驅動機械支腿伸長使基準平面達到水平。
9
、傾角傳感器用于大型鋪管船吊鉤擺動進行監測和調整。
10
、傾角傳感器在陸地大型吊車上應用。
描述
傾角傳感器原理
傾角傳感器的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。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。
傾角傳感器應用范圍
1.、在潛艇上水平臺校準上應用，羅經、計程儀都對水平度要求很高，便攜式水平校準儀。
2、基槽清平機上應用，用于地基基槽和農田地面平整。對平整度進行監測和控制。
3、水田平地機，用于南方水田土壤平整，水田精細平整技術是在水稻生產過程中節約灌溉用水、提高肥料利用率、抑制雜草生長，提高水稻產量、減少生產成本的重要措施。
4、傾角傳感器在車載光電跟蹤設備上應用。在光電跟蹤設備基座上安裝雙軸傾角傳感器，實時監測基座的水平度，保證車載光電跟蹤設備高精度工作。
5、傾角傳感器用于城市管道機器人。
6、傾角傳感器在船舶氣囊下水過程中的應用。
7、傾角傳感器在船載水平平臺上應用，用于船載衛星跟蹤天線的底座，以保持天線始終處于水平狀態，對平臺進行實時控制，可以隔離船體的俯仰和橫滾運動，使平臺處于水平。
8、傾角傳感器在大型光電設備基準平面自動調平系統上的應用。由安裝在基座上的傾角傳感器檢測基準平面的傾角大小及方向，將此角度根據調平算法換算為若干個機械支腿的伸長量，驅動機械支腿伸長使基準平面達到水平。
9、傾角傳感器用于大型鋪管船吊鉤擺動進行監測和調整。
10、傾角傳感器在陸地大型吊車上應用。
傾角傳感器安裝方式
接觸到傾角傳感器人都知道，傾角傳感器就是用一個傾角傳感器靈敏器件測量數據，然后通過一些列的變換，最后轉化成角度數據，有的時候對角度的誤差要求不高，但有的時候要求確實非常的嚴格。對于角度誤差方面除了傳感器本身的固有屬性之外，對安裝方式也有要求。傾角傳感器的安裝方式大致可以分為兩種，一種是水平安裝，另外一種是垂直安裝（貼墻安裝）。
水平安裝，顯而易見就是把傾角傳感器水平放在一個平面上，比如地面、桌面等，垂直安裝則是把傾角傳感器安裝在垂直于大地的一個穩定的面上，比如墻面等。
一般情況下，產品在出廠的時候都是以理想的水平面為基準的，如果在我們在使用的時候只是放在一個平臺上，此時的應該有角度輸出的，即該平面不是水平面，這是水平安裝的情況。當垂直安裝（貼墻安裝）的時候，理論同水平安裝。
所以固定傾角傳感器的底座最好是可調整的平面，在使用過程中，客戶仍然可以根據自己的需要自定義水平面，比如，把桌面作為水平面等。
編輯總結：傾角傳感器的應用范圍很廣，特別是一些生活領域，工業領域等很多方面都會用到它，沒有了它，很多的機械工具都無法進行，也就不能夠很好的作業，傾角傳感器在每個機器上面發揮的作用也是不同的，但是作用原理都是一致的，利用牛頓的第二定律慣性原理，從而提高了工作效率，為我們的生活提供了方便！
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