淺談角度傳感器的應(yīng)用

大家好，我是【廣州工控傳感★科技】傳感器事業(yè)部，張工。

概述：角度傳感器是用來檢測(cè)與角度相關(guān)的各種參數(shù)（角位移、角加速度等）的傳感器。

應(yīng)用

角度測(cè)量是幾何測(cè)量的重要組成部分。 角度量的范圍很廣。 平面角可分為水平面的水平角（或方位角）、垂直面的垂直角（或傾角），空間角是水平角和垂直角的合成； 按范圍可分為圓形分度角和小角； 按標(biāo)稱值可分為固定角度和任意角度； 按元件單位可分為線角和面角； 按形成方式可分為固定角度角度和動(dòng)態(tài)角度，固定角度是指加工或組裝的部件的角度、儀器旋轉(zhuǎn)后返回靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的角度位置等； 動(dòng)態(tài)角是指物體或系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中的夾角，如衛(wèi)星軌道與地球赤道面的夾角，精密設(shè)備主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的軸角漂移，實(shí)際 角度測(cè)量設(shè)備以一定的角速度和角加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)輸出的時(shí)間角度信號(hào)。

角度傳感器廣泛應(yīng)用于石油、煤炭、鋼鐵、船舶、隧道、醫(yī)療器械、水壩、機(jī)械、物探儀器、地質(zhì)、巖土、石油、礦山、管道、測(cè)斜儀、鐵路、港口、水利、高層建筑、 墻洞、礦山、隧道、碼頭、防滑樁和板樁、煤礦、動(dòng)力沖擊實(shí)驗(yàn)、地質(zhì)、衛(wèi)星GPS系統(tǒng)、風(fēng)水、越野車、導(dǎo)航、實(shí)驗(yàn)儀器、數(shù)字水準(zhǔn)儀、醫(yī)療、機(jī)械水準(zhǔn)測(cè)量 ， 角度測(cè)量與監(jiān)控， 汽車， 起重機(jī)械運(yùn)動(dòng)檢測(cè)， 康復(fù)系統(tǒng)， 生物工程系統(tǒng)， 虛擬現(xiàn)實(shí)， 現(xiàn)實(shí)變焦， 運(yùn)動(dòng)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)， 人體姿態(tài)測(cè)量， 工業(yè)機(jī)械， 摩托車陀螺儀， 光纖， 制導(dǎo)， 平衡， 定向， 方向測(cè)量、動(dòng)態(tài)跟蹤、捷聯(lián)、慣性、導(dǎo)航、方位角、角速度、測(cè)速、機(jī)械、爆炸、測(cè)量等行業(yè)。

分類

按輸入物理量可分為：傾角傳感器、角速度傳感器、角加速度傳感器等。

1、傾角傳感器

傾角傳感器又稱傾角儀、測(cè)斜儀、水平儀、傾角儀，常用于測(cè)量系統(tǒng)水平角的變化。 傾角傳感器用于測(cè)量角度的各種應(yīng)用。 例如高精度激光儀器水準(zhǔn)測(cè)量、工程機(jī)械設(shè)備水準(zhǔn)測(cè)量、遠(yuǎn)距離測(cè)距儀器、高空平臺(tái)安全防護(hù)、定向衛(wèi)星通信天線俯仰角測(cè)量、船舶導(dǎo)航姿態(tài)測(cè)量、盾構(gòu)頂管應(yīng)用、大壩檢測(cè)、 地質(zhì)裝備傾斜監(jiān)測(cè)、炮管初發(fā)角測(cè)量、雷達(dá)車平臺(tái)探測(cè)、衛(wèi)星通信車姿態(tài)探測(cè)等。

2、角速度傳感器又稱陀螺儀，是利用高速旋轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼繞與旋轉(zhuǎn)正交的一或二軸相對(duì)慣性空間的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置 軸。 這是一個(gè)機(jī)械陀螺儀。

3、角加速度傳感器是指能夠測(cè)量角加速度并將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換成可用的模擬或數(shù)字信號(hào)的儀器。 廣泛應(yīng)用于無人機(jī)、軍工、水壩、建筑、玩具、汽車、鐵路、地質(zhì)儀器、建筑儀器等。

選型指南

1.靈敏度的選擇

一般來說，在角度傳感器的線性范圍內(nèi)，角度傳感器的靈敏度越高越好。 因?yàn)橹挥性陟`敏度高的情況下，輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于被測(cè)變化的值才比較大，有利于信號(hào)處理。 但需要注意的是，傳感器的靈敏度高，與測(cè)量無關(guān)的外部噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。 因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，以盡量減少外界引入的干擾信號(hào)。
傳感器的靈敏度是定向的。 當(dāng)被測(cè)量為單向量時(shí)，其方向性要求較高時(shí)，應(yīng)選擇其他方向靈敏度較小的傳感器； 如果被測(cè)量是多維向量，則傳感器的交叉靈敏度越小越好。

2.頻率響應(yīng)特性

角度傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了要測(cè)量的頻率范圍，測(cè)量條件必須保持在允許的頻率范圍內(nèi)不失真。 其實(shí)傳感器的響應(yīng)總是有一定的延遲的，希望延遲時(shí)間越短越好。
傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)信號(hào)的頻率范圍寬，并且由于結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性大，傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率低。 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，響應(yīng)特性應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特性（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等）來避免過大的誤差。

3. 線性范圍

角度傳感器的線性范圍是輸出與輸入成比例的范圍。 理論上，在這個(gè)范圍內(nèi)，靈敏度保持不變。 傳感器的線性范圍越寬，其量程越大，并能保證一定的測(cè)量精度。 在選擇傳感器時(shí)，在確定傳感器的類型時(shí)，首先要看其量程是否滿足要求。
但實(shí)際上，沒有一個(gè)傳感器可以保證絕對(duì)的線性，它的線性也是相對(duì)的。 當(dāng)所要求的測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定范圍內(nèi)，非線性誤差較小的傳感器可以近似視為線性，這會(huì)給測(cè)量帶來很大的方便。

4. 穩(wěn)定性

傳感器在一段時(shí)間內(nèi)保持其性能不變的能力稱為穩(wěn)定性。 除了傳感器本身的結(jié)構(gòu)外，影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素主要是傳感器的使用環(huán)境。 因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。
此外，在選擇角度傳感器前，應(yīng)考察使用環(huán)境，根據(jù)具體使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)措施減少對(duì)環(huán)境的影響。

注意事項(xiàng)

傾角安裝注意事項(xiàng)：

安裝傳感器時(shí)，不正確的安裝會(huì)導(dǎo)致測(cè)量角度誤差較大。 為保證“兩側(cè)”和“兩條線”的正確安裝，安裝時(shí)請(qǐng)注意以下兩點(diǎn)：

1、“兩側(cè)”是指?jìng)鞲衅鞯陌惭b面完全靠近被測(cè)物的安裝面（被測(cè)物的安裝面應(yīng)盡量水平）。

有夾角（如圖A中的角a）。 正確的安裝方法如圖B所示。

2、“兩條線”是指?jìng)鞲衅鞯妮S線與被測(cè)面的軸線平行，兩條軸線不能有夾角（如圖C中的角度b）。 正確的安裝方法如圖 D 所示。