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大型喷雾机液体倾角摆差传感器的设计

时间:2019-09-25 03:00  点击: 次  来源:好文学  作者:编辑  评论:- 小 + 大

  仪表工程师论文第三篇

  
  摘要:为方便、准确地检测大型喷雾机横杆水平状态,设计并制作液体摆差分电阻式倾角传感器。传感器采用液体自水平原理和电阻在液体摆差分变化原理,再利用电桥电路将倾角变化转换为电压变化。设计并制作了水银槽,采用康铜为导电丝制作了倾角传感器装置。在20℃的室温环境下,进行了标定试验和对比试验,获得倾角测定经验公式。试验结果表明:在倾角为-20°~20°的范围内,其测量精度小于±1. 0%,当倾角为-6°~6°时,误差低于0. 02°。
  
  关键词:液体摆; 差分电阻; 传感器; 倾角测量; 水平检测;
  
  0 引言
  
  倾角测量与水平检测在机械设备、工程建筑、航空航天、农业装备、桥梁隧道、地质勘探和科学实验等领域中,为了监测状态和控制姿势,需要采用倾角传感器准确测量平面与水平面的倾斜角。此外,许多精密仪器也需要精确测量倾角,如高精度激光水平仪、地质设备倾斜监测、卫星通信车等。常用的倾角传感器主要有三大类固体摆式[1,2,3,4,5]、液体摆式[6,7,8,9]和气体摆式[10,11],随着现代先进微机电系统 (micro-electro-mechanical system, MEMS) 技术的发展,出现了一些MEMS技术的集成倾角传感器[12,13,14].如SANG1000系列传感器,该传感器在可靠性、稳定性和集成度方面具有较大的优势,但价格高,购置不便。为实现大型机械喷雾机横杆的水平控制,本文设计一种灵敏度高、动态响应好的液体摆差分电阻倾角传感器,并进行标定试验。

大型喷雾机液体倾角摆差传感器的设计


 

  
  1 液体摆差分电阻传感器设计
  
  1.1 导电液与导电丝选择

  
  导电丝和导电液是决定传感器性能指示的主要因素,导电丝和导电液选择得好,灵敏度、稳定性较好,迟滞性小。常见的导电液有水银、酸碱盐溶液,水银导电性好、稳定性好,但价格较高密度大、重量大。酸碱盐溶液电阻率高、稳定性差,通电发生电离反应。考虑性能优先选择水银为导电液。
  
  为了提高倾角传感器的灵敏度和稳定性,必须选择电阻率高的导电丝。常见高电阻率材料有铅笔芯、镍铬合金 (电热丝) 、铁铬铝合金、康铜等。铅笔芯也有不同的材料,2B铅笔芯电阻率最小,2H铅笔芯电阻率最大,采用2H铅笔芯进行试验灵敏度较好,但由于铅笔芯与水银是不浸润的,它们之间的接触不是特别好,导致稳定性差。镍铬合金、铁铬铝合金都是金属材料,与水银是浸润的,接触较好,但是水银的氧化性比镍铬合金、铁铬铝合金强,Hg O将导电丝合金氧化并在导电丝上形成氧化膜阻止导电,导致传感器不稳定。康铜材料电阻率较好,其主要成份是铜,与水银具有浸润的特点,且铜比水银更稳定,不会被Hg O氧化。最终选择以水银为导电液,康铜为导电丝。
  
  从废旧的电阻箱中拆出绕线电阻,取外径为0.16 mm的电阻线,除去外面的漆,经实际测量其单位长度的电阻率是0.4Ω/cm.
  
  1.2 传感器结构设计
  
  如图1所示,设计一个方形液槽,内安装有3个电极A, B, C;中间电极C为铜丝,其电阻可以忽略不计,左右两个电极A, B为敏感电极,采用康铜丝,其单位长度的电阻率为0.4Ω/cm,液槽内水银面高为h,康铜丝长为H,左右电极A, B距中间电极C距离均为L.当液槽向右倾斜角为β时,由水银面保持水平,导致左电极A液面下降Δh,右电极B液面上升Δh,如图1 (a) 所示有。
  

  图1 液槽水平与倾斜示意

大型喷雾机液体倾角摆差传感器的设计

  
  1.3 参数设置与计算
  
  图1中,液槽参数为:L=4.0 cm, H=8.0 cm, h=3.0 cm.当液槽水平时,电极A, B的电阻初值为RA=RB=0.4 (H-h) =0.4×5=2 (Ω) .
  
  当液槽倾斜角为β时,电极A, B的电阻改变量为
  
  2 测量电路
  
  倾角传感器变化电量是电阻,采用直流电桥电路可以较方便地将电阻变量转换成电压变量。如图2所示,为电桥电路,RA, RB为敏感电极的电阻,R1, R2为固定电阻,R1和R2为100Ω,电源U=1.5 V.
  

  图2 测量电路原理

大型喷雾机液体倾角摆差传感器的设计

  
  当传感器液槽水平时,RA=RB=2Ω,电桥平衡UC=UF,输出电压Uo=0.当液槽倾斜角为β时,UF不变,RA增大,RB减小
  
  即β=arctan (1.67Uo) .
  
  3 倾角测量标定试验及特性测试
  
  3.1 传感器标定试验
  

  以竖直放置的大型量角器为参考倾斜角,将倾角传感器液槽放置在直立的大型量角器支架上,量角器的精确度是1°。因为本倾角传感器输出电压与倾角非线性,倾角小于10°时接近线性,而本传感器设计主要用于检测水平,即测量小于10°的倾角。所以,只标定倾角为±20°以内,在-10°~10°之间,每2°记录一次数据,-20°~-10°,10°~20°,每5°记录一次数据,在20℃的室温条件下测量。
  
  将倾角在±10°的数据进行最小二乘拟合得到如图3曲线和经验公式。
  

  图3 输出电压与倾斜角的关系 (-10°~10°)

大型喷雾机液体倾角摆差传感器的设计

  
  式 (3) 为传感器标定的经验公式
  
  式中Uo单位为m V,β的单位为度 (°) .通过仪表测量输出电压Uo,即可换算得出传感装置倾角的角度。
  
  3.2 倾角测量对比试验
  
  为验证传感器的准确性与可靠性,采用高精度传感器 (型号:BWS2200,精度:0.001) 与设计的传感器进行比较实验。BWS2200传感器在官网有配套串口调试软件可在电脑上显示倾斜角度。在本实验中,选择BWS2200传感器的X方向与本文传感器获得的倾角进行对比。将所设计倾角传感器装置和BWS2200传感器放置在直立的大型量角器支架上,按标定实验的步骤进行试验,实验数据如表1.
  

  表1 倾斜角对比试验 (-20°~20°,20℃)

大型喷雾机液体倾角摆差传感器的设计

  
  表1中,β为量角器设定角度,θ为本文设计传感器所得角度,α为BWS2200高精度传感器显示角度。从表中数据可见,本文传感器在倾角小于6°时误差很小,当倾角大于6°时,误差增大,其相对误差不大于±1.0%.
  
  观察表1数据可见,随倾角的增加传感器误差增大,经分析式 (2) 可知,传感器输出电压Uo与倾角β成正切关系,而在经验公式中进行线拟合,当倾角很小时,线性拟合是有效的,但倾角较大时,误差将增大。本传感器主要用于水平检测,对于倾角测量是为了估测将不影响测量精度。
  
  4结论
  
  1) 设计并制作了方形水银槽,水银液面上高3 cm,内安装有3个电极A, B, C.A, B电极康铜,长为8 cm, A和B相距8 cm,康铜单位长度的电阻率为0.4Ω/cm;C电极为铜,放置在A, B的中间。
  
  2) 采用直流电桥电路,进行了简单的理论计算,获得输出电压与倾角的关系β=arctan (1.67Uo) .
  
  3) 经过实验标定获得倾角与输出电压的经验公式β=0.094 9Uo+0.001 7.
  
  4) 将所设计倾角传感器装置和BWS2200传感器进行了对比试验,试验结果表明:在-20°~20°的范围内,其测量精度小于±1.0%;当倾角小于6°时,误差低于0.02°。
  
  参考文献
  

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