摘要：本文簡述了傾角傳感器的原理和發展狀況。對幾種原理的傾角傳感器的性能作了比較，并給出了相應產品的性能參數。

　　一、傾角傳感器原理

　　傾角傳感器經常用于系統的水平測量，從工作原理上可分為“固體擺”式、“液體擺”式、“氣體擺”三種傾角傳感器，下面就它們的工作原理進行介紹。

　　１、“固體擺”式慣性器件

　　固體擺在設計中廣泛采用力平衡式伺服系統，如圖１所示，其由擺錘、擺線、支架組成，　擺錘受重力ｇ和擺拉力ｔ的作用，其合外力ｆ為：　　　　　（１）

　　其中，θ為擺線與垂直方向的夾角。在小角度范圍內測量時，可以認為ｆ與θ成線性關系。如應變式傾角傳感器就是基于此原理。

　　２、“液體擺”式慣性器件

　　液體擺的結構原理是在玻璃殼體內裝有導電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距相等，如圖２所示。當殼體水平時，電極插入導電液的深度相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時，電極之間會形成離子電流，兩根電極之間的液體相當于兩個電阻ｒｉ和ｒｉｉｉ。若液體擺水平時，則ｒｉ＝ｒｉｉｉ。當玻璃殼體傾斜時，電極間的導電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。如圖３所示，左邊電極浸入深度小，則導電液減少，導電的離子數減少，電阻ｒｉ增大，相對極則導電液增加，導電的離子數增加，而使電阻ｒｉｉｉ　減少，即ｒｉ＞ｒｉｉｉ。反之，若傾斜方向相反，則ｒｉ＜ｒｉｉｉ。

　　在液體擺的應用中也有根據液體位置變化引起應變片的變化，從而引起輸出電信號變化而感知傾角的變化。在實用中除此類型外，還有在電解質溶液中留下一氣泡，當裝置傾斜時氣泡會運動使電容發生變化而感應出傾角的“液體擺”。

　　３　“氣體擺”式慣性器件

　　氣體在受熱時受到浮升力的作用，如同固體擺和液體擺也具有的敏感質量一樣，熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向上，因此也具有擺的特性。“氣體擺”式慣性元件由密閉腔體、氣體和熱線組成。當腔體所在平面相對水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時，熱線的阻值發生變化，并且熱線阻值的變化是角度ｑ或加速度的函數，因而也具有擺的效應。其中熱線阻值的變化是氣體與熱線之間的能量交換引起的。

　　“氣體擺”式慣性器件的敏感機理基于密閉腔體中的能量傳遞，在密閉腔體中有氣體和熱線，熱線是唯一的熱源。當裝置通電時，對氣體加熱。在熱線能量交換中對流是主要形式。

　　對流傳熱的方程為：　（２）

　　其中：ｈ—熱量傳遞系數（　　），　　　　　ｓ—熱線表面積（ｍ２），　ｔｈ—熱線溫度（ｋ），ｔａ—氣體溫度（ｋ）。　熱量傳遞系數ｈ與流體的熱傳導率、動力學粘度、流體速度和熱線直徑有關，表示為：　　　　　　　（３）　　　　　其中：ｎｕ為—努塞爾（ｎｕｓｓｅｌｔ）數，　　　　　ｌ—熱傳導率（ｗ／ｍｋ），　　　　　ｒｅ　—　雷諾（ｒｅｙｎｏｌｄ）數，　　　　　ｕ—流體速度（ｍ２／ｓ），　　　　　ｄ—熱線的直徑（ｍ），　　　　　ｎ—流體的動力學粘度。　　　　　當氣流以速度ｕ垂直穿過熱線時，　　（４）　　　　　將（４）式代入（３）式得：　（５）　　　　　根據熱平衡方程可得：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　所以：　　（６）　　　　　假設　　和ｓ為常數，則有：　　（７）　　　　　　　　　　從式（７）可以看出，當流體的動力學粘度、密度和熱傳導特性一定時，若熱線周圍流體的速度不同，則流過熱線的電流也不同，從而引起熱線兩端的電壓也產生相應的變化。氣體擺式慣性器件就是根據這一原理研制的。

　　氣體擺式檢測器件的核心敏感元件為熱線。電流流過熱線，熱線產生熱量，使熱線保持一定的溫度。熱線的溫度高于它周圍氣體的溫度，動能增加，所以氣體向上流動。在平衡狀態時，如圖４（ａ）所示，熱線處于同一水平面上，上升氣流穿過它們的速度相同，即ｖ１＝ｖ１′，這時，氣流對熱線的影響相同，由式（７）可知，流過熱線的電流也相同，電橋平衡。當密閉腔體傾斜時，熱線相對水平面的高度發生了變化，如圖４（ｂ）所示，因為密閉腔體中體的流動是連續的，所以熱氣流在向上運動的過程中，依次經過下部和上部的熱線。若忽略氣體上升過程中克服重力的能量損失，則穿過上部熱線的氣流已經與下部熱線的產生熱交換，使穿過兩根熱線時的氣流速度不同，這時ｖ２？＞ｖ２，因此流過兩根熱線的電流也會發生相應的變化，所以電橋失去平衡，輸出一個電信號。傾斜角度不同，輸出的電信號也不同。

　　二、固、液，氣體擺性能比較

　　就基于固體擺、液體擺及氣體擺原理研制的傾角傳感器而言，它們各有所長。在重力場中，固體擺的敏感質量是擺錘質量，液體擺的敏感質量是電解液，而氣體擺的敏感質量是氣體。氣體是密封腔體內的唯一運動體，它的