深入了解角度传感器

角度传感器的定义

角度传感器是指能感觉到被测角度并转换为可用输出信号的传感器。顾名思义，角度传感器是用来检测角度的。它体内有一个可以与乐高轴配合的孔。当连结到RCX轴每转1/16圈，角度传感器计数一次。向一个方向旋转时，计数增加，旋转方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，其计数值设置为0，如有必要，可以用编程重置。

通过计算旋转角度，可以很容易地测量位置和速度。当轮子（或通过齿轮传动移动机器人）连接到机器人时，机器人的移动距离可以根据旋转角度和轮周数来推断。然后你可以把距离转换成速度，你也可以把它除以时间。

实际上，计算距离的基本方程是：距离=速度×时间

由此可以得到：速度=距离/时间

磁敏角传感器

磁敏电阻角度传感器

磁敏感角度传感器采用高性能集成磁敏感元件，利用磁信号感应非接触的特点，配合微处理器进行智能化信号处理制成的新一代角度传感器。

特点：无触点、高灵敏度、接近无限旋转寿命、无噪音、高重复性、高频响应特性好。

优点:

1.磁钢位置不对准自动补偿；

2.故障检测功能；

3.非接触位置检测功能是满足恶劣环境应用需求的理想选择。

应用领域:

1、工业机械、工程机械建筑设备、石化设备、医疗设备、航空航天仪器仪表、国防工业等旋转速度和角度的测量.

2、汽车电子脚踩油门角位移、方向盘位置、座椅位置、前照灯位置；

3、自动机器人、运动控制、旋转电机旋转控制.

拉线位移传感器基于磁敏角度技术

传统的拉线位移传感器采用电位器位移传感器，通过电位器元件将机械位移转换为线性或任何函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器可分别用作直线位移和角位移传感器。然而，为实现位移测量而设计的电位器需要位移变化和电阻变化之间的确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连，物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。电阻值的变化反映了位移值，电阻值的增减表示位移的方向。电源电压通常通过电位器转换为电压输出。由于电刷移动时电阻以匝电阻为梯形，传统的拉线位移传感器的输出特性也呈梯形。伺服系统中使用这种位移传感器作为位移反馈元件时，过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此，在制造电位器时，应尽量降低每个匝的电阻值。同时，电位器传感器的另一个主要缺点是易磨损、分辨率差、电阻值低、高频特性差，导致测量精度下降。其优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。

基于磁敏角度技术的拉线位移传感器将位移转换为磁场角度位移，并通过通信接口将位移信号返回应用系统。

基于磁敏角度技术的拉线位移传感器的功能是用可测量、记录或传输的电信号替换拉线的机械位移，主要由自动回复弹簧、轮毂、磁铁和数据处理单元组成，结构如图2所示。

从图2可以看出，基于磁敏角度技术的拉线位移传感器主要由六部分组成，改变了传统拉线位移传感器的接触、易磨损、高频特性差等缺点。确保位移检测精度。通过数学模型对接收到的磁敏角度信号进行位移信号处理。数据处理计算器用于通过数学模型计算接收到的磁敏角信号的位移信号。通信接口通过通信接口与应用系统设备进行通信，接收应用系统设备的命令，并将收集到的位移信号反馈给应用系统。从而提高了数据采集的精度、稳定性和可靠性，降低了位移传感器的应用门槛。

各部件的功能描述如下：

1.拉线钢绳缠绕在轮毂上，轮毂与磁铁连接。当拉线位移时，驱动轮毂的旋转。轮毂的旋转导致连接到轮毂轴的磁铁旋转，从而产生磁场变化的角度。当拉线运动发生时，自动回复弹簧，以确保拉线具有一定的张力，并确保拉线位移与磁敏角的比例关系。

2.磁敏角度传感器与磁铁安装在同一中心轴上，以感应磁敏角度的变化。选择读取磁敏角度信息的微处理器，通过建立数学模型将磁敏角度计算为拉线位移。

3.通信接口，微处理器通过通信接口接收应用系统的命令，并通过通信接口将位移信息返回应用系统。

硬件接口电路

具体功能框如图所示，数据处理单元由磁敏角度传感器、微处理单元、通信接口和输出模块组成。

通过分析，磁敏角度传感器将拉线位移引起的磁磁场旋转角度转换为磁敏角度。32位嵌入式微处理器单元ARM用于处理接收到的磁敏角度数据，完成磁敏角度数据的接收。由于接收到的是磁场转换的角度，磁敏角度过建立数学模型，结合轮毂直径等因素转换为拉线位移。

电容角位移传感器

电容角位移传感器用于测量固定部件（定子）与旋转部件（转子）之间的旋转角度。由于其结构简单、测量精度高、灵敏度高，适用于工业自动控制。

一般来说，电容式角位移传感器由一组或几组风扇固定板和旋转板组成。为了保证传感器的精度和灵敏度，避免介电常数和极板形状的间接变化，从而对传感器的性能产生不利影响，对传感器的生产材料、加工工艺和安装精度提出了较高的要求，以克服电容式角位移传感器的局限性。国内外科学家进行了大量的长期研究，其主要思想方法是将传感器设计成差动结构。

传感器系统原理框图如图所示：

由敏感元件、测量电路、智能元件和接口元件组成。敏感元件的结构如图1所示。测量、激励源和电荷检测单元组成；智能部件由I/O单元、A/D接口部件由电流输出单元、滤波单元、角度计算单元等组成RS由232通信单元等组成。

敏感元件检测反映角位置的电容值是传感器的初始转换单元。测量单元采用先进的抗杂散微小电容检测电路，将电容值转换为电信号。智能元件的主要功能是通过比例算法计算角位移，最后通过接口元件的输出角度计算结果。

倾角传感器

倾角传感器通常用于系统的水平测量。从工作原理上可分为三种倾角传感器：固体摆、液体摆和气体摆。倾角传感器也可用于测量相对于水平面的倾角变化。

倾角传感器的基本原理

理论基础是牛顿的第二定律。根据基本的物理原理，速度不能在系统内测量，但可以测量其加速度。如果已知初始速度，则可以通过积分计算出线速度，然后计算直线位移。因此，它实际上是一种加速度传感器，采用惯性原理。

当倾角传感器静止时，即侧面和垂直方向没有加速度，因此只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角为倾角。

随着MEMS 随着技术的发展，惯性传感器件已成为近年来最成功、应用最广泛的微机电系统器件之一，微加速度计是惯性传感器件的杰出代表。作为最成熟的惯性传感器应用，现在MEMS 加速度计集成度很高，即传感系统和接口线集成在芯片上。

倾角传感器把MCU，MEMS加速度计、模数转换电路和通信单元都集成在一个非常小的电路板上。倾斜数据可以直接输出角度等，使人们更容易使用。

其特点是：硅微机械传感器测量(MEMS)以水平面为参面的双轴倾角变化。输出角度以水平面为参考，基准面可再次校准。数据输出，接口形式包括RS232、RS485、可定制等多种方式。抗外界电磁干扰能力强。

倾角传感器的分类

固体摆式惯性器件

力平衡伺服系统广泛应用于固体摆放计中，由摆锤、摆线、支架组成，摆锤受重力G和摆拉力T的影响，如应变倾角传感器。

液体摆惯性器件

液体摆动的结构原理是在玻璃外壳中安装导电液，三个铂电极与外部连接，三个电极平行，间距相等。当外壳水平时，电极插入导电液的深度相同如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻RI和RIII。若液体摆水平时，则RI＝RIII。当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三根电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。左边电极浸入深度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻RI增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻RIII 减少，即RI＞RIII。反之，若倾斜方向相反，则RI＜RIII。 

在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。在实用中除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆”。 

 “气体摆”式惯性器件

气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一样，热气流总是力图保持在铅垂方向上，因此也具有摆的特性。“气体摆”式惯性元件由密闭腔体、气体和热线组成。当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体受到加速度的作用时，热线的阻值发生变化，并且热线阻值的变化是角度q或加速度的函数，因而也具有摆的效应。其中热线阻值的变化是气体与热线之间的能量交换引起的。 

 “气体摆”式惯性器件的敏感机理基于密闭腔体中的能量传递，在密闭腔体中有气体和热线，热线是唯一的热源。当装置通电时，对气体加热。在热线能量交换中对流是主要形式。 

固、液、气体摆性能比较

就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言，它们各有所长。在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的敏感质量是气体。 

气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的要求。 

固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同。在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，在武器系统中应用也较为广泛。 

液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外产品多为此类

角度传感器的选择标准

1、频率响应特性

角度传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。

2、灵敏度的选择

通常，在角度传感器的线性范围内，希望角度传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

3、稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

另外，在选择角度传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

4、线性范围

角度传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

角度传感器的好坏并非单一因素决定的。简单说来并不是越灵敏越好，或是越稳定越好。这些都是多方面的考虑。综合自身的要求去选择适合自己的传感器才是最好的。

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