角度测量传感器机械结构设计研究

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[摘要]角度测量传感器是一种应用领域非常广泛的传感器，现有常用测量角度装置由于存在结构不合理等问题的影响，会有一定的测量误差，已经不能满足现今发展的需要。提出导电塑料电位器和单轴倾角传感器构成一种高精度测量角度装置，能够解决常规摆锤式角度传感器中摩擦导致的测量误差问题。

[关键词]角度传感器；摆锤；高精度

角度测量传感器是一种应用领域非常广泛的传感器，它是通过角位移的改变来对被测物体进行位置检测的装置，它可以精准且高速地检测到被测物的角度变化，并通过相应装置将其调整至所需的角度位置。伴随着测控技术的进步，它的应用要求也越来越高。现有常见角度测量传感器由于结构不合理导致有一定的测量误差，因此，针对市场的发展需求，本文提出一种新型的角度测量传感器——环境对测量结果影响小、稳定性高、使用环境温度范围大、精度高、成本低、加工方便的角度测量传感器。

1高精度角度测量传感器结构方案选择

我国常用的角度测量装置分为线绕式，电容式，电阻式，以及国外多见的模拟式角度传感器和数字式角度传感器。电位器式角度传感器应用最早，在航天和军事领域应用最多。电位器式角度传感器的结构非常简单，可靠性也比较高，它在测量时主要是根据内部电阻的变化来改变输出的模拟值，输出的模拟值与角度的位移量有一定的函数关系。其结构多为摆锤式，但接点与电阻丝由不同的材料构成，会产生热电动势；摆锤与部件之间的摩擦和摆锤自身的惯性可能导致测量数据的误差。电容式角度传感器是把角位移的变化转换成电容量来测量，由于以前在线路和信号处理方面的落后，导致它的应用被限制，如今伴随着电路技术的完善和信号防干扰问题的解决，电容式角度传感器在恶劣的环境下表现优秀。但是两个极板固定距离和介电常数变化引起的误差，无法避免。导电塑料电位器的测量精度为±0.1°，但是电阻的阻值容易受到环境湿度的影响，因此会导致测量结果不够准确。旋转变压器是一种模拟式角度传感器。国外使用的旋转变压器目前的主要发展方向是使得精度更高、有温度补偿功能和无接触式结构。编码器是数字式角度传感器，分为绝对式和增量式，在分辨率相等的情况下，增量式编码器在结构上更加简单，在价格也更低。我国在这方面还处于起步阶段，分辨率低，价格昂贵。从精度和准确度的角度考虑，对比几种传感器结构，使用了二级摆锤式作为本文所用传感器的结构。该传感器特点是环境对测量结果影响很小，稳定性好；使用二级角度测量装置，测量精度高。

2二级摆锤式倾角传感器测量原理

通过对电位器式角度传感器的分析可知，摆锤在物体发生角度变化时会摆动，而摆动可能会带来摆锤与电位器的摩擦或产生惯性。这种摩擦和惯性会影响测量结果，导致测量数据准确度不足。因此本文使用二级摆锤式倾角传感器进行角度测量。在测量角度时，该传感器被垂直安装在被测物上，当物体角度发生变化时，摆锤受重力作用保持垂直，一级测量传感器将会测量出该物体的角度变化值，与此同时，摆锤由于受到摩擦力和惯性作用会产生一定量的偏移，利用安装在摆锤上的二级测量传感器可以测出摆锤的这一角度偏移量，最终这两个角度测量数据通过控制系统进行处理，经过矢量相加得到精确的角度值。

3机械结构设计

结合对二级摆锤式倾角传感器的原理分析，设计一种采用摆锤式角度测量装置。外壳为密封结构，电位器固连在侧壁上，电位器的转轴端通过连接杆与摆锤连接，摆锤上放置二级传感器组件。由于二级传感器精度要求较高，所以选择单轴倾角传感器。外壳底部安装控制电路板。测量信号通过插头传输至显示设备或计算机进行数据显示和再处理。本装置中的电位器可使用导电塑料电位器，优秀的导电塑料电位器使用年限较长，分辨率高，机械轴的转动平稳，在工作时噪声更小。二级单轴倾角传感器需选择体积小、重量轻、易于集成、成本低、性能稳定、可靠且精度高的传感器，精度越高，测量结果越准确。测量角度范围±15°即可。由于该角度测量装置需要在恶劣的环境下应用，为防止壳体变形等影响该测量装置的测量精度，壳体材料选用高强度铝合金。摆锤与连接杆为一体化设计，连接杆与导电塑料电位器旋转轴采用顶丝固定，摆锤与连接杆选用铝质材料。

4结语

本文以解决摆锤式倾角传感器有测量误差的问题，满足现代高精度角度测量的需求为出发点，设计了一种能够消除摆锤在角度变化过程中产生惯性和摩擦误差的高精度倾角传感器。该传感器为二级测量装置，通过恰当的数据处理方法，即可得到测量结果。

【参考文献】

[1]李保霖,蔡盛.基于金字塔棱镜的三维小角度测量方法[J].光电技术应用，2017，32(06)：76-80.

[2]简文辉.导电塑料角位移电流输出传感器[J].新产品新技术报，2012，01(02)：102-103.

作者：刘雅文 刘钊 朱霖龙 单位：西安工业大学