角度測量傳感器機械結構設計研究

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[摘要]角度測量傳感器是一種應用領域非常廣泛的傳感器，現有常用測量角度裝置由于存在結構不合理等問題的影響，會有一定的測量誤差，已經不能滿足現今發展的需要。提出導電塑料電位器和單軸傾角傳感器構成一種高精度測量角度裝置，能夠解決常規擺錘式角度傳感器中摩擦導致的測量誤差問題。

[關鍵詞]角度傳感器；擺錘；高精度

角度測量傳感器是一種應用領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行位置檢測的裝置，它可以精準且高速地檢測到被測物的角度變化，并通過相應裝置將其調整至所需的角度位置。伴隨著測控技術的進步，它的應用要求也越來越高。現有常見角度測量傳感器由于結構不合理導致有一定的測量誤差，因此，針對市場的發展需求，本文提出一種新型的角度測量傳感器——環境對測量結果影響小、穩定性高、使用環境溫度范圍大、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構方案選擇

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字式角度傳感器。電位器式角度傳感器應用最早，在航天和軍事領域應用最多。電位器式角度傳感器的結構非常簡單，可靠性也比較高，它在測量時主要是根據內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關系。其結構多為擺錘式，但接點與電阻絲由不同的材料構成，會產生熱電動勢；擺錘與部件之間的摩擦和擺錘自身的慣性可能導致測量數據的誤差。電容式角度傳感器是把角位移的變化轉換成電容量來測量，由于以前在線路和信號處理方面的落后，導致它的應用被限制，如今伴隨著電路技術的完善和信號防干擾問題的解決，電容式角度傳感器在惡劣的環境下表現優秀。但是兩個極板固定距離和介電常數變化引起的誤差，無法避免。導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境濕度的影響，因此會導致測量結果不夠準確。旋轉變壓器是一種模擬式角度傳感器。國外使用的旋轉變壓器目前的主要發展方向是使得精度更高、有溫度補償功能和無接觸式結構。編碼器是數字式角度傳感器，分為絕對式和增量式，在分辨率相等的情況下，增量式編碼器在結構上更加簡單，在價格也更低。我國在這方面還處于起步階段，分辨率低，價格昂貴。從精度和準確度的角度考慮，對比幾種傳感器結構，使用了二級擺錘式作為本文所用傳感器的結構。該傳感器特點是環境對測量結果影響很小，穩定性好；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，擺錘在物體發生角度變化時會擺動，而擺動可能會帶來擺錘與電位器的摩擦或產生慣性。這種摩擦和慣性會影響測量結果，導致測量數據準確度不足。因此本文使用二級擺錘式傾角傳感器進行角度測量。在測量角度時，該傳感器被垂直安裝在被測物上，當物體角度發生變化時，擺錘受重力作用保持垂直，一級測量傳感器將會測量出該物體的角度變化值，與此同時，擺錘由于受到摩擦力和慣性作用會產生一定量的偏移，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，最終這兩個角度測量數據通過控制系統進行處理，經過矢量相加得到精確的角度值。

3機械結構設計

結合對二級擺錘式傾角傳感器的原理分析，設計一種采用擺錘式角度測量裝置。外殼為密封結構，電位器固連在側壁上，電位器的轉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。測量信號通過插頭傳輸至顯示設備或計算機進行數據顯示和再處理。本裝置中的電位器可使用導電塑料電位器，優秀的導電塑料電位器使用年限較長，分辨率高，機械軸的轉動平穩，在工作時噪聲更小。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、性能穩定、可靠且精度高的傳感器，精度越高，測量結果越準確。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境下應用，為防止殼體變形等影響該測量裝置的測量精度，殼體材料選用高強度鋁合金。擺錘與連接桿為一體化設計，連接桿與導電塑料電位器旋轉軸采用頂絲固定，擺錘與連接桿選用鋁質材料。

4結語

本文以解決擺錘式傾角傳感器有測量誤差的問題，滿足現代高精度角度測量的需求為出發點，設計了一種能夠消除擺錘在角度變化過程中產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，通過恰當的數據處理方法，即可得到測量結果。

【參考文獻】

[1]李保霖,蔡盛.基于金字塔棱鏡的三維小角度測量方法[J].光電技術應用，2017，32(06)：76-80.

[2]簡文輝.導電塑料角位移電流輸出傳感器[J].新產品新技術報，2012，01(02)：102-103.

作者：劉雅文 劉釗 朱霖龍 單位：西安工業大學