角度測量傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究
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[摘要]角度測量傳感器是一種應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛的傳感器，現(xiàn)有常用測量角度裝置由于存在結(jié)構(gòu)不合理等問題的影響，會(huì)有一定的測量誤差，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)今發(fā)展的需要。提出導(dǎo)電塑料電位器和單軸傾角傳感器構(gòu)成一種高精度測量角度裝置，能夠解決常規(guī)擺錘式角度傳感器中摩擦導(dǎo)致的測量誤差問題。
[關(guān)鍵詞]角度傳感器；擺錘；高精度
角度測量傳感器是一種應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛的傳感器，它是通過角位移的改變來對被測物體進(jìn)行位置檢測的裝置，它可以精準(zhǔn)且高速地檢測到被測物的角度變化，并通過相應(yīng)裝置將其調(diào)整至所需的角度位置。伴隨著測控技術(shù)的進(jìn)步，它的應(yīng)用要求也越來越高?，F(xiàn)有常見角度測量傳感器由于結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致有一定的測量誤差，因此，針對市場的發(fā)展需求，本文提出一種新型的角度測量傳感器——環(huán)境對測量結(jié)果影響小、穩(wěn)定性高、使用環(huán)境溫度范圍大、精度高、成本低、加工方便的角度測量傳感器。
1高精度角度測量傳感器結(jié)構(gòu)方案選擇
我國常用的角度測量裝置分為線繞式，電容式，電阻式，以及國外多見的模擬式角度傳感器和數(shù)字式角度傳感器。電位器式角度傳感器應(yīng)用最早，在航天和軍事領(lǐng)域應(yīng)用最多。電位器式角度傳感器的結(jié)構(gòu)非常簡單，可靠性也比較高，它在測量時(shí)主要是根據(jù)內(nèi)部電阻的變化來改變輸出的模擬值，輸出的模擬值與角度的位移量有一定的函數(shù)關(guān)系。其結(jié)構(gòu)多為擺錘式，但接點(diǎn)與電阻絲由不同的材料構(gòu)成，會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢；擺錘與部件之間的摩擦和擺錘自身的慣性可能導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的誤差。電容式角度傳感器是把角位移的變化轉(zhuǎn)換成電容量來測量，由于以前在線路和信號(hào)處理方面的落后，導(dǎo)致它的應(yīng)用被限制，如今伴隨著電路技術(shù)的完善和信號(hào)防干擾問題的解決，電容式角度傳感器在惡劣的環(huán)境下表現(xiàn)優(yōu)秀。但是兩個(gè)極板固定距離和介電常數(shù)變化引起的誤差，無法避免。導(dǎo)電塑料電位器的測量精度為±0.1°，但是電阻的阻值容易受到環(huán)境濕度的影響，因此會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。旋轉(zhuǎn)變壓器是一種模擬式角度傳感器。國外使用的旋轉(zhuǎn)變壓器目前的主要發(fā)展方向是使得精度更高、有溫度補(bǔ)償功能和無接觸式結(jié)構(gòu)。編碼器是數(shù)字式角度傳感器，分為絕對式和增量式，在分辨率相等的情況下，增量式編碼器在結(jié)構(gòu)上更加簡單，在價(jià)格也更低。我國在這方面還處于起步階段，分辨率低，價(jià)格昂貴。從精度和準(zhǔn)確度的角度考慮，對比幾種傳感器結(jié)構(gòu)，使用了二級擺錘式作為本文所用傳感器的結(jié)構(gòu)。該傳感器特點(diǎn)是環(huán)境對測量結(jié)果影響很小，穩(wěn)定性好；使用二級角度測量裝置，測量精度高。
2二級擺錘式傾角傳感器測量原理
通過對電位器式角度傳感器的分析可知，擺錘在物體發(fā)生角度變化時(shí)會(huì)擺動(dòng)，而擺動(dòng)可能會(huì)帶來擺錘與電位器的摩擦或產(chǎn)生慣性。這種摩擦和慣性會(huì)影響測量結(jié)果，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不足。因此本文使用二級擺錘式傾角傳感器進(jìn)行角度測量。在測量角度時(shí)，該傳感器被垂直安裝在被測物上，當(dāng)物體角度發(fā)生變化時(shí)，擺錘受重力作用保持垂直，一級測量傳感器將會(huì)測量出該物體的角度變化值，與此同時(shí)，擺錘由于受到摩擦力和慣性作用會(huì)產(chǎn)生一定量的偏移，利用安裝在擺錘上的二級測量傳感器可以測出擺錘的這一角度偏移量，最終這兩個(gè)角度測量數(shù)據(jù)通過控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，經(jīng)過矢量相加得到精確的角度值。
3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)合對二級擺錘式傾角傳感器的原理分析，設(shè)計(jì)一種采用擺錘式角度測量裝置。外殼為密封結(jié)構(gòu)，電位器固連在側(cè)壁上，電位器的轉(zhuǎn)軸端通過連接桿與擺錘連接，擺錘上放置二級傳感器組件。由于二級傳感器精度要求較高，所以選擇單軸傾角傳感器。外殼底部安裝控制電路板。測量信號(hào)通過插頭傳輸至顯示設(shè)備或計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和再處理。本裝置中的電位器可使用導(dǎo)電塑料電位器，優(yōu)秀的導(dǎo)電塑料電位器使用年限較長，分辨率高，機(jī)械軸的轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，在工作時(shí)噪聲更小。二級單軸傾角傳感器需選擇體積小、重量輕、易于集成、成本低、性能穩(wěn)定、可靠且精度高的傳感器，精度越高，測量結(jié)果越準(zhǔn)確。測量角度范圍±15°即可。由于該角度測量裝置需要在惡劣的環(huán)境下應(yīng)用，為防止殼體變形等影響該測量裝置的測量精度，殼體材料選用高強(qiáng)度鋁合金。擺錘與連接桿為一體化設(shè)計(jì)，連接桿與導(dǎo)電塑料電位器旋轉(zhuǎn)軸采用頂絲固定，擺錘與連接桿選用鋁質(zhì)材料。
4結(jié)語
本文以解決擺錘式傾角傳感器有測量誤差的問題，滿足現(xiàn)代高精度角度測量的需求為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種能夠消除擺錘在角度變化過程中產(chǎn)生慣性和摩擦誤差的高精度傾角傳感器。該傳感器為二級測量裝置，通過恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，即可得到測量結(jié)果。
【參考文獻(xiàn)】
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作者：劉雅文 劉釗 朱霖龍 單位：西安工業(yè)大學(xué)