液體擺差分電阻傾角傳感器設(shè)計(jì)*

張文昭, 劉志壯, 趙全友, 周 旺, 王 飛

(湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院,湖南 永州 425199)

0 引 言

傾角測(cè)量與水平檢測(cè)在機(jī)械設(shè)備、工程建筑、航空航天、農(nóng)業(yè)裝備、橋梁隧道、地質(zhì)勘探和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域中,為了監(jiān)測(cè)狀態(tài)和控制姿勢(shì),需要采用傾角傳感器準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量?jī)A角,如高精度激光水平儀、地質(zhì)設(shè)備傾斜監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星通信車(chē)等。常用的傾角傳感器主要有三大類(lèi)固體擺式[1～5]、液體擺式[6～9]和氣體擺式[10,11],隨著現(xiàn)代先進(jìn)微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了一些MEMS技術(shù)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(wěn)定性和集成度方面具有較大的優(yōu)勢(shì),但價(jià)格高,購(gòu)置不便。為實(shí)現(xiàn)大型機(jī)械噴霧機(jī)橫桿的水平控制,本文設(shè)計(jì)一種靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的液體擺差分電阻傾角傳感器,并進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。

1 液體擺差分電阻傳感器設(shè)計(jì)

1.1 導(dǎo)電液與導(dǎo)電絲選擇

導(dǎo)電絲和導(dǎo)電液是決定傳感器性能指示的主要因素,導(dǎo)電絲和導(dǎo)電液選擇得好,靈敏度、穩(wěn)定性較好,遲滯性小。常見(jiàn)的導(dǎo)電液有水銀、酸堿鹽溶液,水銀導(dǎo)電性好、穩(wěn)定性好,但價(jià)格較高密度大、重量大。酸堿鹽溶液電阻率高、穩(wěn)定性差,通電發(fā)生電離反應(yīng)?？紤]性能優(yōu)先選擇水銀為導(dǎo)電液。

為了提高傾角傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性,必須選擇電阻率高的導(dǎo)電絲。常見(jiàn)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(jìn)行試驗(yàn)靈敏度較好,但由于鉛筆芯與水銀是不浸潤(rùn)的,它們之間的接觸不是特別好,導(dǎo)致穩(wěn)定性差。鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金都是金屬材料,與水銀是浸潤(rùn)的,接觸較好,但是水銀的氧化性比鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金強(qiáng),HgO將導(dǎo)電絲合金氧化并在導(dǎo)電絲上形成氧化膜阻止導(dǎo)電,導(dǎo)致傳感器不穩(wěn)定。康銅材料電阻率較好,其主要成份是銅,與水銀具有浸潤(rùn)的特點(diǎn),且銅比水銀更穩(wěn)定,不會(huì)被HgO氧化。最終選擇以水銀為導(dǎo)電液,康銅為導(dǎo)電絲。

從廢舊的電阻箱中拆出繞線(xiàn)電阻,取外徑為0.16 mm的電阻線(xiàn),除去外面的漆,經(jīng)實(shí)際測(cè)量其單位長(zhǎng)度的電阻率是0.4 Ω/cm。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 液槽水平與傾斜示意

1.3 參數(shù)設(shè)置與計(jì)算

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

當(dāng)液槽傾斜角為β時(shí),電極A,B的電阻改變量為

ΔR=0.4Δh=0.4Ltanβ=1.6tanβ(Ω)

(1)

2 測(cè)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(zhuǎn)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(cè)量電路原理

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

(2)

即β=arctan(1.67Uo)。

3 傾角測(cè)量標(biāo)定試驗(yàn)及特性測(cè)試

3.1 傳感器標(biāo)定試驗(yàn)

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?yàn)楸緝A角傳感器輸出電壓與傾角非線(xiàn)性,傾角小于10°時(shí)接近線(xiàn)性,而本傳感器設(shè)計(jì)主要用于檢測(cè)水平,即測(cè)量小于10°的傾角。所以,只標(biāo)定傾角為±20°以?xún)?nèi),在-10°～10°之間,每2°記錄一次數(shù)據(jù),-20°～-10°，10°～20°，每5°記錄一次數(shù)據(jù),在20 ℃的室溫條件下測(cè)量。

將傾角在±10°的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合得到如圖3曲線(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)公式。

圖3 輸出電壓與傾斜角的關(guān)系(-10°～10°)

式(3)為傳感器標(biāo)定的經(jīng)驗(yàn)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(guò)儀表測(cè)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(cè)量對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證傳感器的準(zhǔn)確性與可靠性,采用高精度傳感器(型號(hào):BWS2200,精度:0.001 )與設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)。BWS2200傳感器在官網(wǎng)有配套串口調(diào)試軟件可在電腦上顯示傾斜角度。在本實(shí)驗(yàn)中,選擇BWS2200傳感器的X方向與本文傳感器獲得的傾角進(jìn)行對(duì)比。將所設(shè)計(jì)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(biāo)定實(shí)驗(yàn)的步驟進(jìn)行試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 傾斜角對(duì)比試驗(yàn)(-20°～20°,20 ℃)

表1中,β為量角器設(shè)定角度,θ為本文設(shè)計(jì)傳感器所得角度,α為BWS2200高精度傳感器顯示角度。從表中數(shù)據(jù)可見(jiàn),本文傳感器在傾角小于6°時(shí)誤差很小,當(dāng)傾角大于6°時(shí),誤差增大,其相對(duì)誤差不大于±1.0 %。

觀察表1數(shù)據(jù)可見(jiàn),隨傾角的增加傳感器誤差增大,經(jīng)分析式(2)可知,傳感器輸出電壓Uo與傾角β成正切關(guān)系,而在經(jīng)驗(yàn)公式中進(jìn)行線(xiàn)擬合,當(dāng)傾角很小時(shí),線(xiàn)性擬合是有效的,但傾角較大時(shí),誤差將增大。本傳感器主要用于水平檢測(cè),對(duì)于傾角測(cè)量是為了估測(cè)將不影響測(cè)量精度。

4 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)并制作了方形水銀槽,水銀液面上高3 cm,內(nèi)安裝有3個(gè)電極A,B,C。A,B電極康銅,長(zhǎng)為8 cm,A和B相距8 cm,康銅單位長(zhǎng)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(jìn)行了簡(jiǎn)單的理論計(jì)算,獲得輸出電壓與傾角的關(guān)系β=arctan(1.67Uo)。

3)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定獲得傾角與輸出電壓的經(jīng)驗(yàn)公式β=0.094 9Uo+0.001 7。

4)將所設(shè)計(jì)傾角傳感器裝置和BWS2200傳感器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明：在-20°～20°的范圍內(nèi),其測(cè)量精度小于±1.0 %；當(dāng)傾角小于6°時(shí),誤差低于0.02°。