仪表工程师论文第三篇
摘要：为方便、准确地检测大型喷雾机横杆水平状态，设计并制作液体摆差分电阻式倾角传感器。传感器采用液体自水平原理和电阻在液体摆差分变化原理，再利用电桥电路将倾角变化转换为电压变化。设计并制作了水银槽，采用康铜为导电丝制作了倾角传感器装置。在20℃的室温环境下，进行了标定试验和对比试验，获得倾角测定经验公式。试验结果表明：在倾角为-20°~20°的范围内，其测量精度小于±1. 0%,当倾角为-6°~6°时，误差低于0. 02°。
关键词：液体摆； 差分电阻； 传感器； 倾角测量； 水平检测；
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[1,2,3,4,5]、液体摆式[6,7,8,9]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[12,13,14].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，Hg O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Hg O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0.4Ω/cm.
1.2 传感器结构设计
如图1所示，设计一个方形液槽，内安装有3个电极A, B, C;中间电极C为铜丝，其电阻可以忽略不计，左右两个电极A, B为敏感电极，采用康铜丝，其单位长度的电阻率为0.4Ω/cm,液槽内水银面高为h,康铜丝长为H,左右电极A, B距中间电极C距离均为L.当液槽向右倾斜角为β时，由水银面保持水平，导致左电极A液面下降Δh,右电极B液面上升Δh,如图1 （a） 所示有。
图1 液槽水平与倾斜示意
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
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100Ω，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=2Ω，电桥平衡UC=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
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
式中Uo单位为m V,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0.4Ω/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°。
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