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倾斜角传感器在汽车上的应用 目录 一、倾斜角传感器的定义 - 2 - 二、倾角传感器简介 - 2 - 三、倾斜角传感器的应用 - 5 - 四、倾角传感器发展趋势与产品现状 - 8 - 五、介绍三种常见的知名厂商的传感器 - 8 - 六、倾斜角传感器设计实例 - 12 - 倾斜角传感器 一、倾斜角传感器的定义 倾角传感器可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。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。 二、倾角传感器简介 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: 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： （1） 式中的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是基于此原理。 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RI＜RIII。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 ”。 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： （2） 其中：h—热量传递系数（），s—热线表面积(m2)， TH—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，表示为： ， ， （3） 其中： Nu—为努塞尔（Nusselt）数，—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， ?（4） 将（4）式带入（3）式式得： （5） 根据热平衡方程得： ???????? 所以, (6) 假设和s 为常数，则有： （7） 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