張文昭, 劉志壯, 趙全友, 周 旺, 王 飛

(湖南科技學院 電子與信息工程學院,湖南 永州 425199)

0 引 言

傾角測量與水平檢測在機械設備、工程建筑、航空航天、農業裝備、橋梁隧道、地質勘探和科學實驗等領域中,為了監測狀態和控制姿勢,需要采用傾角傳感器準確測量平面與水平面的傾斜角。此外,許多精密儀器也需要精確測量傾角,如高精度激光水平儀、地質設備傾斜監測、衛星通信車等。常用的傾角傳感器主要有三大類固體擺式[1～5]、液體擺式[6～9]和氣體擺式[10,11],隨著現代先進微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術的發展,出現了一些MEMS技術的集成傾角傳感器[12～14]。如SANG1000系列傳感器,該傳感器在可靠性、穩定性和集成度方面具有較大的優勢,但價格高,購置不便。為實現大型機械噴霧機橫桿的水平控制,本文設計一種靈敏度高、動態響應好的液體擺差分電阻傾角傳感器,并進行標定試驗。

1 液體擺差分電阻傳感器設計

1.1 導電液與導電絲選擇

導電絲和導電液是決定傳感器性能指示的主要因素,導電絲和導電液選擇得好,靈敏度、穩定性較好,遲滯性小。常見的導電液有水銀、酸堿鹽溶液,水銀導電性好、穩定性好,但價格較高密度大、重量大。酸堿鹽溶液電阻率高、穩定性差,通電發生電離反應。考慮性能優先選擇水銀為導電液。

為了提高傾角傳感器的靈敏度和穩定性,必須選擇電阻率高的導電絲。常見高電阻率材料有鉛筆芯、鎳鉻合金(電熱絲)、鐵鉻鋁合金、康銅等。鉛筆芯也有不同的材料,2B鉛筆芯電阻率最小,2H鉛筆芯電阻率最大,采用2H鉛筆芯進行試驗靈敏度較好,但由于鉛筆芯與水銀是不浸潤的,它們之間的接觸不是特別好,導致穩定性差。鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金都是金屬材料,與水銀是浸潤的,接觸較好,但是水銀的氧化性比鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金強,HgO將導電絲合金氧化并在導電絲上形成氧化膜阻止導電,導致傳感器不穩定。康銅材料電阻率較好,其主要成份是銅,與水銀具有浸潤的特點,且銅比水銀更穩定,不會被HgO氧化。最終選擇以水銀為導電液,康銅為導電絲。

從廢舊的電阻箱中拆出繞線電阻,取外徑為0.16 mm的電阻線,除去外面的漆,經實際測量其單位長度的電阻率是0.4 Ω/cm。

1.2 傳感器結構設計

圖1 液槽水平與傾斜示意

1.3 參數設置與計算

圖1中,液槽參數為:L= 4.0 cm,H=8.0 cm,h=3.0 cm。當液槽水平時,電極A,B的電阻初值為RA=RB=0.4(H-h)=0.4×5=2(Ω)。

當液槽傾斜角為β時,電極A,B的電阻改變量為

ΔR=0.4Δh=0.4Ltanβ=1.6tanβ(Ω)

(1)

2 測量電路

傾角傳感器變化電量是電阻,采用直流電橋電路可以較方便地將電阻變量轉換成電壓變量。如圖2所示,為電橋電路,RA,RB為敏感電極的電阻,R1,R2為固定電阻,R1和R2為100 Ω,電源U=1.5 V。

圖2 測量電路原理

當傳感器液槽水平時,RA=RB=2 Ω,電橋平衡U=UF,輸出電壓Uo=0。當液槽傾斜角為β時,UF不變,RA增大,RB減小

(2)

即β=arctan(1.67Uo)。

3 傾角測量標定試驗及特性測試

3.1 傳感器標定試驗

以豎直放置的大型量角器為參考傾斜角,將傾角傳感器液槽放置在直立的大型量角器支架上,量角器的精確度是1°。因為本傾角傳感器輸出電壓與傾角非線性,傾角小于10°時接近線性,而本傳感器設計主要用于檢測水平,即測量小于10°的傾角。所以,只標定傾角為±20°以內,在-10°～10°之間,每2°記錄一次數據,-20°～-10°，10°～20°，每5°記錄一次數據,在20 ℃的室溫條件下測量。

將傾角在±10°的數據進行最小二乘擬合得到如圖3曲線和經驗公式。

圖3 輸出電壓與傾斜角的關系(-10°～10°)

式(3)為傳感器標定的經驗公式

β=0.094 9Uo+0.001 7

(3)

式中Uo單位為mV,β的單位為度(°)。通過儀表測量輸出電壓Uo,即可換算得出傳感裝置傾角的角度。

3.2 傾角測量對比試驗

為驗證傳感器的準確性與可靠性,采用高精度傳感器(型號:BWS2200,精度:0.001 )與設計的傳感器進行比較實驗。BWS2200傳感器在官網有配套串口調試軟件可在電腦上顯示傾斜角度。在本實驗中,選擇BWS2200傳感器的X方向與本文傳感器獲得的傾角進行對比。將所設計傾角傳感器裝置和BWS2200傳感器放置在直立的大型量角器支架上,按標定實驗的步驟進行試驗,實驗數據如表1。

表1 傾斜角對比試驗(-20°～20°,20 ℃)

表1中,β為量角器設定角度,θ為本文設計傳感器所得角度,α為BWS2200高精度傳感器顯示角度。從表中數據可見,本文傳感器在傾角小于6°時誤差很小,當傾角大于6°時,誤差增大,其相對誤差不大于±1.0 %。

觀察表1數據可見,隨傾角的增加傳感器誤差增大,經分析式(2)可知,傳感器輸出電壓Uo與傾角β成正切關系,而在經驗公式中進行線擬合,當傾角很小時,線性擬合是有效的,但傾角較大時,誤差將增大。本傳感器主要用于水平檢測,對于傾角測量是為了估測將不影響測量精度。

4 結 論

1)設計并制作了方形水銀槽,水銀液面上高3 cm,內安裝有3個電極A,B,C。A,B電極康銅,長為8 cm,A和B相距8 cm,康銅單位長度的電阻率為0.4 Ω/cm；C電極為銅,放置在A,B的中間。

2)采用直流電橋電路,進行了簡單的理論計算,獲得輸出電壓與傾角的關系β=arctan(1.67Uo)。

3)經過實驗標定獲得傾角與輸出電壓的經驗公式β=0.094 9Uo+0.001 7。

4)將所設計傾角傳感器裝置和BWS2200傳感器進行了對比試驗,試驗結果表明：在-20°～20°的范圍內,其測量精度小于±1.0 %；當傾角小于6°時,誤差低于0.02°。