角度測(cè)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(cè)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(cè)量角度裝置由于存在結(jié)構(gòu)不合理等問(wèn)題的影響，會(huì)有一定的測(cè)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(cè)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(cè)量誤差問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]角度傳感器；擺錘；高精度

角度測(cè)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(guò)角位移的改變來(lái)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行位置檢測(cè)的裝置，它可以精準(zhǔn)且高速地檢測(cè)到被測(cè)物的角度變化，并通過(guò)相應(yīng)裝置將其調(diào)整至所需的角度位置。伴隨著測(cè)控技術(shù)的進(jìn)步，它的應(yīng)用要求也越來(lái)越高。現(xiàn)有常見(jiàn)角度測(cè)量傳感器由于結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致有一定的測(cè)量誤差，因此，針對(duì)市場(chǎng)的發(fā)展需求，本文提出一種新型的角度測(cè)量傳感器——環(huán)境對(duì)測(cè)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(cè)量傳感器。

1高精度角度測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)方案選擇

我國(guó)常用的角度測(cè)量裝置分為線繞式，電容式，電阻式，以及國(guó)外多見(jiàn)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(jiǎn)單，可靠性也比較高，它在測(cè)量時(shí)主要是根據(jù)內(nèi)部電阻的變化來(lái)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(shì)；擺錘與部件之間的摩擦和擺錘自身的慣性可能導(dǎo)致測(cè)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(lái)測(cè)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(wèn)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(wú)法避免。導(dǎo)電塑料電位器的測(cè)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(cè)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(guó)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(wú)接觸式結(jié)構(gòu)。編碼器是數(shù)字式角度傳感器，分為絕對(duì)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(jiǎn)單，在價(jià)格也更低。我國(guó)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(duì)比幾種傳感器結(jié)構(gòu)，使用了二級(jí)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(duì)測(cè)量結(jié)果影響很小，穩(wěn)定性好；使用二級(jí)角度測(cè)量裝置，測(cè)量精度高。

2二級(jí)擺錘式傾角傳感器測(cè)量原理

通過(guò)對(duì)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(lái)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(cè)量結(jié)果，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不足。因此本文使用二級(jí)擺錘式傾角傳感器進(jìn)行角度測(cè)量。在測(cè)量角度時(shí)，該傳感器被垂直安裝在被測(cè)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(jí)測(cè)量傳感器將會(huì)測(cè)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(jí)測(cè)量傳感器可以測(cè)出擺錘的這一角度偏移量，最終這兩個(gè)角度測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)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(duì)二級(jí)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(cè)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(guò)連接桿與擺錘連接，擺錘上放置二級(jí)傳感器組件。由于二級(jí)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(cè)量信號(hào)通過(guò)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(zhǎng)，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(jí)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(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確。測(cè)量角度范圍±15°即可。由于該角度測(cè)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(cè)量裝置的測(cè)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(yǔ)

本文以解決擺錘式傾角傳感器有測(cè)量誤差的問(wèn)題，滿足現(xiàn)代高精度角度測(cè)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(guò)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(jí)測(cè)量裝置，通過(guò)恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，即可得到測(cè)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)