液体摆差分电阻倾角传感器设计*

张文昭, 刘志壮, 赵全友, 周 旺, 王 飞

(湖南科技学院 电子与信息工程学院,湖南 永州 425199)

0 引 言

倾角测量与水平检测在机械设备、工程建筑、航空航天、农业装备、桥梁隧道、地质勘探和科学实验等领域中,为了监测状态和控制姿势,需要采用倾角传感器准确测量平面与水平面的倾斜角。此外,许多精密仪器也需要精确测量倾角,如高精度激光水平仪、地质设备倾斜监测、卫星通信车等。常用的倾角传感器主要有三大类固体摆式[1～5]、液体摆式[6～9]和气体摆式[10,11],随着现代先进微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术的发展,出现了一些MEMS技术的集成倾角传感器[12～14]。如SANG1000系列传感器,该传感器在可靠性、稳定性和集成度方面具有较大的优势,但价格高,购置不便。为实现大型机械喷雾机横杆的水平控制,本文设计一种灵敏度高、动态响应好的液体摆差分电阻倾角传感器,并进行标定试验。

1 液体摆差分电阻传感器设计

1.1 导电液与导电丝选择

导电丝和导电液是决定传感器性能指示的主要因素,导电丝和导电液选择得好,灵敏度、稳定性较好,迟滞性小。常见的导电液有水银、酸碱盐溶液,水银导电性好、稳定性好,但价格较高密度大、重量大。酸碱盐溶液电阻率高、稳定性差,通电发生电离反应。考虑性能优先选择水银为导电液。

为了提高倾角传感器的灵敏度和稳定性,必须选择电阻率高的导电丝。常见高电阻率材料有铅笔芯、镍铬合金(电热丝)、铁铬铝合金、康铜等。铅笔芯也有不同的材料,2B铅笔芯电阻率最小,2H铅笔芯电阻率最大,采用2H铅笔芯进行试验灵敏度较好,但由于铅笔芯与水银是不浸润的,它们之间的接触不是特别好,导致稳定性差。镍铬合金、铁铬铝合金都是金属材料,与水银是浸润的,接触较好,但是水银的氧化性比镍铬合金、铁铬铝合金强,HgO将导电丝合金氧化并在导电丝上形成氧化膜阻止导电,导致传感器不稳定。康铜材料电阻率较好,其主要成份是铜,与水银具有浸润的特点,且铜比水银更稳定,不会被HgO氧化。最终选择以水银为导电液,康铜为导电丝。

从废旧的电阻箱中拆出绕线电阻,取外径为0.16 mm的电阻线,除去外面的漆,经实际测量其单位长度的电阻率是0.4 Ω/cm。

1.2 传感器结构设计

图1 液槽水平与倾斜示意

1.3 参数设置与计算

图1中,液槽参数为:L= 4.0 cm,H=8.0 cm,h=3.0 cm。当液槽水平时,电极A,B的电阻初值为RA=RB=0.4(H-h)=0.4×5=2(Ω)。

当液槽倾斜角为β时,电极A,B的电阻改变量为

ΔR=0.4Δh=0.4Ltanβ=1.6tanβ(Ω)

(1)

2 测量电路

倾角传感器变化电量是电阻,采用直流电桥电路可以较方便地将电阻变量转换成电压变量。如图2所示,为电桥电路,RA,RB为敏感电极的电阻,R1,R2为固定电阻,R1和R2为100 Ω,电源U=1.5 V。

图2 测量电路原理

当传感器液槽水平时,RA=RB=2 Ω,电桥平衡U=UF,输出电压Uo=0。当液槽倾斜角为β时,UF不变,RA增大,RB减小

(2)

即β=arctan(1.67Uo)。

3 倾角测量标定试验及特性测试

3.1 传感器标定试验

以竖直放置的大型量角器为参考倾斜角,将倾角传感器液槽放置在直立的大型量角器支架上,量角器的精确度是1°。因为本倾角传感器输出电压与倾角非线性,倾角小于10°时接近线性,而本传感器设计主要用于检测水平,即测量小于10°的倾角。所以,只标定倾角为±20°以内,在-10°～10°之间,每2°记录一次数据,-20°～-10°，10°～20°，每5°记录一次数据,在20 ℃的室温条件下测量。

将倾角在±10°的数据进行最小二乘拟合得到如图3曲线和经验公式。

图3 输出电压与倾斜角的关系(-10°～10°)

式(3)为传感器标定的经验公式

β=0.094 9Uo+0.001 7

(3)

式中Uo单位为mV,β的单位为度(°)。通过仪表测量输出电压Uo,即可换算得出传感装置倾角的角度。

3.2 倾角测量对比试验

为验证传感器的准确性与可靠性,采用高精度传感器(型号:BWS2200,精度:0.001 )与设计的传感器进行比较实验。BWS2200传感器在官网有配套串口调试软件可在电脑上显示倾斜角度。在本实验中,选择BWS2200传感器的X方向与本文传感器获得的倾角进行对比。将所设计倾角传感器装置和BWS2200传感器放置在直立的大型量角器支架上,按标定实验的步骤进行试验,实验数据如表1。

表1 倾斜角对比试验(-20°～20°,20 ℃)

表1中,β为量角器设定角度,θ为本文设计传感器所得角度,α为BWS2200高精度传感器显示角度。从表中数据可见,本文传感器在倾角小于6°时误差很小,当倾角大于6°时,误差增大,其相对误差不大于±1.0 %。

观察表1数据可见,随倾角的增加传感器误差增大,经分析式(2)可知,传感器输出电压Uo与倾角β成正切关系,而在经验公式中进行线拟合,当倾角很小时,线性拟合是有效的,但倾角较大时,误差将增大。本传感器主要用于水平检测,对于倾角测量是为了估测将不影响测量精度。

4 结 论

1)设计并制作了方形水银槽,水银液面上高3 cm,内安装有3个电极A,B,C。A,B电极康铜,长为8 cm,A和B相距8 cm,康铜单位长度的电阻率为0.4 Ω/cm；C电极为铜,放置在A,B的中间。

2)采用直流电桥电路,进行了简单的理论计算,获得输出电压与倾角的关系β=arctan(1.67Uo)。

3)经过实验标定获得倾角与输出电压的经验公式β=0.094 9Uo+0.001 7。

4)将所设计倾角传感器装置和BWS2200传感器进行了对比试验,试验结果表明：在-20°～20°的范围内,其测量精度小于±1.0 %；当倾角小于6°时,误差低于0.02°。