倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，下面就它们的工作原理进行介绍。

    1、“固体摆”式惯性器件

    固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，如图1所示，其由摆锤、摆线、支架组成， 摆锤受重力G和摆拉力T的作用，其合外力F为：（1）

    其中，θ为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时，可以认为F与θ成线性关系。如应变式倾角传感器就基于此原理。

    2、“液体摆”式惯性器件

    液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三根电极相互平行且间距相等，如图2所示。当壳体水平时，电极插入导电液的深度相同。如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻RI和RIII。若液体摆水平时，则RI＝RIII。当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三根电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。如图3所示，左边电极浸入深度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻RI增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻RIII 减少，即RI＞RIII。反之，若倾斜方向相反，则RI＜RIII。

    在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。在实用中除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆”。

    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（w/m2×k），s—热线表面积(m2)，TH—热线温度（K），TA—气体温度（K）。

    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：Nu为—努塞尔（Nusselt）数，l—热传导率（W/mK），Re—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一原理研制的。

    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。

　　典型应用场合：

　　种类粗分：单轴的和双轴两种
　　选择依据：根据你需要测量几个方向的倾角，如果是一个就用单轴的，如果是两个方向的（俯仰和横滚）就选用双轴的。
　　应用范围：
　　工程车辆调平，和高空平台安全保护
　　·定向卫星通讯天线的俯仰角测量
　　·船舶航行姿态测量
　　·盾构顶管应用
　　·大坝检测
　　·地质设备倾斜监测
　　  火炮炮管初射角度测量
　　·雷达车辆平台检测
　　·卫星通讯车姿态检测

1.引 言

　　传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，作为信息系统的关键基础器件，近年来，已经受到国内外的广泛关注。倾斜传感器作为经典的传感器之一，也正在被新材料、新原理、多功能、新结构所取代，与数字技术、通信技术的结合越来越密切，朝着集成化、智能化和微型化方向发展。

　　图一

　　2.倾斜传感器原理

　　为了测知被测物体与标准水平面的倾斜角度，常常用到一种电解质型传感器.图为一双轴传感器在轻微倾斜时单轴向示意图，传感器由密封圆筒构成，圆筒之间充满整个容量一半左右的流体介质，电解质为呈粘滞性液体，圆筒中装有电极，并且浸泡在电解液中，各电极分别有管脚引出。当传感器倾斜时，液面因为重力保持水平，两电极间传导率与电极浸入液体的长度成正比。例如图中所示的倾角下，电极a、b之间的传导率大于电极b、c之间的传导率。可见，在电特性上，传感器类似于分压计，阻抗的变化和倾斜的角度成正比，传感器输出信号随倾斜角度变化的关系如图二所示,注意当倾角大于20°时输出信号变得非线性。可以证明，传感器可以测量的倾角范围为电解液容量、电极间距和电极长度的函数。传感器在某种程度上类似于铅酸电池，电流能引起电解质的化学反应，最终结果使电解质失去导电性，所以为了防止电解反应的发生，传感器的激励必须为频率足够高的交变电流。对于某些电解液，这个频率可以为25Hz，而有些电解液则需要达到1000Hz到4000Hz。

　　图二 传感器输出特性

　　3. 倾斜传感器在舰载天线控制中的应用

　　3.1舰艇的前进、海浪颠簸都会导致舰载天线随机座发生倾斜，所以为了保证天线能够连续准确地跟踪卫星，就要对天线轴架进行实时调整。由于天线的转动控制除了方位（Azimuth）与俯仰（Level），还有一个俯仰的垂直面（Cross level），因此要用到三个检测电机转速的角速度传感器和一个检测水平度的倾斜传感器。如图所示：

　　图三 舰载卫星天线示意图

　　3.2传感器参数及应用

　　测量范围±45°；输入电压＋5v；输出＋1～4vDC或4～20mA；分辨率为0.01°；非线性为±2°；工作温度为－40°C～＋80°C；承受冲击能力为1000g，1msec。

　　对于双轴传感器则即有与单轴传感器类似的属性，又包含自身的复杂性。由于双轴共享中心电极，四个外围电极理想地分布于正方形的四个角，所以每个轴向的独立测量要用到两种方法：一是同一时刻只有一个轴向激励，二是双轴向同时加载不同频率的激励，如图所示，电极a、c间的激励信号频率为电极d、e间的二倍，要注意方法一中正交的两个轴向分别为对角线ac和de方向，而方法二中正交的两个轴向则是外围电极正方形的边缘ae和ad方向。

　　图四 外围电极波形

　　3.3传感器接口电路

　　图五 输入电路框图

　　从图中可以看出，由于传感器输出为微弱的模拟信号，所以必须把传感器输出的模拟量进行预处理，又称信号调理，并且经过A/D转换变成数字量，处理器才能对其进行分析处理。具体到电解质型倾角传感器，以某型舰载天线为例，实际应用电路如下图所示：

　　图六 传感器应用电路

　　图中U5构成传感器输出CTR端信号的反相放大电路，F1，F2来自处理器输出端口控制信号，为频率50HZ、相位差180°的方波，经过反相器作为传感器的LV和CL电极驱动，既可实现每对电极上信号极性的交替变化，又能提供水平和垂直水平二维倾斜度测量的选择。F1，F2同时又作用于多路输入选择器U6的控制端A和B，对应于每对电极上信号极性的变化，选择控制相应极性的信号作为输出。

　　4.结束语

　　电解质型倾角传感器具有良好的复现性、可靠性和较高的精度，在应用中需要特别注意的是：⑴驱动信号F1，F2必须为直流分量为零的交流电压信号，因为直流会使电解质产生电解反应而失去导电性，对传感器造成不可逆转的损坏。⑵避免使用波峰焊接以及化学有机溶剂洗刷，以防止传感器输出特性的改变和电解液泄露。

　　本文作者创新点：为确保其可靠运行，应在处理器端口引脚和传感器之间接上CMOS 反相器。微处理器可以设置成每秒唤醒一次或几次进行新的测量，同时采样驱动信号中点电压作为参考，这样每次测量分两步完成：首先计算传感器信号减去参考信号的值，然后加上反相驱动信号并计算参考信号减去传感器信号的值，将两次测量结果相减得到所需倾斜值的2 倍且使系统产生的偏差相抵消。