该帖子于2008-7-9 13:56:04被 在那里 编辑过

3 “气体摆”式惯性器件

气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一样，热气流总是力图保持在铅垂方向上，因此也具有摆的特性。“气体摆”式惯性元件由密闭腔体、气体和热线组成。当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体受到加速度的作用时，热线的阻值发生变化，并且热线阻值的变化是角度q或加速度的函数，因而也具有摆的效应。其中热线阻值的变化是气体与热线之间的能量交换引起的。

“气体摆”式惯性器件的敏感机理基于密闭腔体中的能量传递，在密闭腔体中有气体和热线，热线是唯一的热源。当装置通电时，对气体加热。在热线能量交换中对流是主要形式。

对流传热的方程为： （2）

其中：h—热量传递系数（  ），

s—热线表面积(m²)，

T_H—热线温度（K），

T_A—气体温度（K）。

该帖子于2008-7-9 13:57:45被 在那里 编辑过

热量传递系数h与流体的热传导率、动力学粘度、流体速度和热线直径有关，表示为：  （3）

其中：N_u为—努塞尔（Nusselt）数，

l—热传导率（W/mK），

R_e — 雷诺（Reynold）数，

U—流体速度（m²/s）,

D—热线的直径(m),

n—流体的动力学粘度。

         当气流以速度U垂直穿过热线时，  （4）

将（4）式代入（3）式得： （5）

根据热平衡方程可得：    

所以：  (6)

假设   和s为常数，则有： （7）

从式（7）可以看出，当流体的动力学粘度、密度和热传导特性一定时，若热线周围流体的速度不同，则流过热线的电流也不同，从而引起热线两端的电压也产生相应的变化。气体摆式惯性器件就是根据这一原理研制的。    

该帖子于2008-7-9 14:01:29被 在那里 编辑过

气体摆式检测器件的核心敏感元件为热线。电流流过热线，热线产生热量，使热线保持一定的温度。热线的温度高于它周围气体的温度，动能增加，所以气体向上流动。在平衡状态时，如图4(a)所示，热线处于同一水平面上，上升气流穿过它们的速度相同，即V₁＝V₁′，这时，气流对热线的影响相同，由式（7）可知，流过热线的电流也相同，电桥平衡。当密闭腔体倾斜时，热线相对水平面的高度发生了变化，如图4(b)所示，因为密闭腔体中气体的流动是连续的，所以热气流在向上运动的过程中，依次经过下部和上部的热线。若忽略气体上升过程中克服重力的能量损失，则穿过上部热线的气流已经与下部热线的产生热交换，使穿过两根热线时的气流速度不同，这时V₂¢＞V₂，因此流过两根热线的电流也会发生相应的变化，所以电桥失去平衡，输出一个电信号。倾斜角度不同，输出的电信号也不同。

二、固、液，气体摆性能比较

就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言，它们各有所长。在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的敏感质量是气体。气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的要求。固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同。在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，在武器系统中应用也较为广泛。液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外产品多为此类。

三、倾角传感器发展趋势与产品现状

          为获得倾角传感器产品资料，参考了《传感器世界》、《传感器产品目录》等，又采用了互联网查询及生产厂家的代理商咨询等形式查阅了大量的倾角传感器资料，从反馈的信息可知，目前生产倾角传感器的厂商较少，但就产品而言，单轴倾角传感器居多，且分辨率较高。就国内产品而言，传感器与电路集

成较少，且大多只提供模拟量输出。就传感器发展状况而言，从收集资料看，北京信息工程学院的产品在小型化及产品精度等指标方面较领先，如膜电位倾角传感器。就网络查询反馈看，产品主要集中在欧美几家大公司，如英国的Clino公司、德国的西门子公司、美国的CrossBow Technology公司、Atmos工程公司、Fredericks公司以及美国数字公司。就国外产品种类而言，其数量也较少，但从数字化、小型化、精度、重量、使用温度范围及线性度等指标而言，具有较高的实用价值。如LS系列产品分辨率可达到1.8″，英国Clino公司SP系列产品高度只有22mm，特殊的可达到16mm，可用于一些特殊场合。CrossBow公司CXTA、美国数子公司A2产品均属于数字产品，可以通过接口板直接与计算机相连。同时在查阅的过程中可以看出，加速度传感器由于其动态性能好，精度高，因此在倾角测量中也得到广泛的应用。

该帖子于2008-7-9 14:08:02被 在那里 编辑过

参考资料

[1].    张维胜，自动调平系统设计[D].研究生论文，2000.3

[2].    吴道悌，非电量测量[M].西安交通大学出版社，1995.4

The Theory And Development Of Tilt Sensor

Abstract: This paper gives a brief account of theory and development of tilt sensor. The comparison of  sensor performance based on different working principle is given. At the same time, the parameters of some type of  tilt sensors are given.

Keywords: Tilt Sensor , Working Principle, Solid Pendulum, Liquid Pendulum, Gas Pendulum

作者简介：

张维胜：第二炮兵第三研究所，（100085）