用氣體擺的原理制作平衡姿態(tài)傳感器

史朦朦，張海波，李 路，王艷榮，劉柯林，于 瑤

（三江學(xué)院a．電子信息工程學(xué)院；b．物理教研室，江蘇 南京210012）

1 實(shí)驗(yàn)原理

在重力場內(nèi)，密度大的氣體會下沉，密度小的氣體要上浮，形成對流．在一根柱狀的密閉腔內(nèi)，沿軸線方向?qū)ΨQ的位置設(shè)置2根平行的熱敏絲r1，r2，在該結(jié)構(gòu)中熱敏絲既做熱絲，又做敏感元件，如圖1所示．通電時，熱敏絲加熱密閉腔內(nèi)的氣體，近熱源端的氣體由于密度減小而上升，而在密閉腔的邊緣處，氣體的密度大，在重力的作用下，氣體向下運(yùn)動，在密閉腔中垂直向上的方向，形成氣體的自然對流，氣體的運(yùn)動具有擺的特性．

圖1 柱狀密閉腔放置2根熱敏絲

無論密閉腔是水平放置，還是傾斜放置，密閉腔中自然對流氣流的方向總是垂直向上，如圖2所示．這種現(xiàn)象與一端固定的固體擺錘始終保持垂直向下而不隨姿態(tài)改變的現(xiàn)象類似．

圖2 密閉腔在不同狀態(tài)下自然對流方向總是垂直向上

氣體的密度差是產(chǎn)生氣體擺的重要原因，而氣體密度差又是由于密閉腔內(nèi)的溫度差引起的．給熱敏絲r1和r2通電加熱，將密閉腔放置在室溫中，保持它的邊界條件不變，幾分鐘后，腔內(nèi)就會形成比較穩(wěn)定的溫度梯度．如果將2個與軸心對稱的熱源等效成位于軸心處1個熱源，那么密閉腔內(nèi)的溫度場的分布如圖3所示．r1，r2處在不同的等溫線上，阻值大小會發(fā)生變化．

將2根熱敏絲r1和r2構(gòu)成惠斯通電橋的2個可變臂，取另外2個相等的電阻R組成惠斯通電橋的固定臂，當(dāng)熱敏絲r1和r2平置時，上升氣流穿過熱絲的速度相同，氣體流動對熱絲阻值的影響相同，r1和r2感受到的溫度相同，故r1＝r2，U1＝U2，電橋平衡時輸出電壓為0；當(dāng)密閉腔傾斜，使2根熱敏絲之間有傾角θ時，氣體的流動對熱敏絲的影響不同，r1≠r2，U1≠U2，從電橋輸出的差分信號為Uo．實(shí)驗(yàn)證明在一定的傾角范圍內(nèi)，Uo大小與θ呈線性關(guān)系，即Uo＝Kθ，式中K是比例系數(shù)．平衡姿態(tài)傳感器電路原理圖見圖4．

圖3 不同狀態(tài)下密閉腔內(nèi)溫度場的分布

圖4 傳感器電路原理圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

從原理可看出，選擇1對合適的熱敏絲是關(guān)鍵．熱敏絲既要發(fā)熱好還要對溫度很敏感．實(shí)驗(yàn)時以電阻率和溫度系數(shù)等物理參量作為選材參考，如：鎢絲具有很好的發(fā)熱性能，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它對熱的敏感很差；鎳鉻材料熱敏感好而發(fā)熱效果不佳……由于可以實(shí)驗(yàn)的材料有限，象鉑金絲這樣昂貴材料難于得到．在現(xiàn)有的材料中經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)用于楊氏模量測量的鋼絲既具有良好的發(fā)熱性能，又有熱敏功能，且價格低廉．

密閉腔開始選用的是玻璃管，由于玻璃管導(dǎo)熱不好，邊界積蓄的熱量使溫度緩慢上升，腔內(nèi)的溫度梯度變得很不穩(wěn)定，給測量帶來很多麻煩．后來改用金屬圓管做密閉腔，因?yàn)榻饘賹?dǎo)熱好，可以把腔內(nèi)的熱量傳出來，使得邊界條件接近穩(wěn)定．改進(jìn)后的密閉腔是直徑為2．992 cm，壁厚為0．756 cm，長為15．950 cm 的黃銅管，1對直徑為0．20 mm的鋼絲相距為7．0 mm，平行設(shè)置在管內(nèi)，銅管兩端用橡膠塞密封后接入惠斯通電橋中．

為了提高熱效率，電橋中取R?r，讓流經(jīng)熱敏絲的電流占流經(jīng)電橋總電流的95%以上．由于惠斯通電橋的4個臂電阻不能完全相同，在橋路的固定臂中間加了電位器Rw，當(dāng)2根熱敏絲平置時，協(xié)助電橋調(diào)平衡，如圖5所示．

圖5 電路原理圖

即便如此，要得到電橋平衡時輸出為零還是很困難，電橋仍有小的Uo輸出．因此實(shí)際電橋輸出電壓與傳感器傾斜角度的關(guān)系為：Uo＝Kθ＋ΔU．要讀出傳感器的傾角還要有讀角度的裝置，將傳感器安置在此裝置上，轉(zhuǎn)動的角度由指針在角度盤上指出．

3 數(shù)據(jù)處理

選擇直徑為0．20 mm的鋼絲，在室溫t0＝17．0℃下，用雙臂電橋測出2根熱敏絲的電阻R0＝4．008Ω，鋼絲的溫度系數(shù)α＝60×10－4℃－1，通電后鋼絲的阻值隨溫度發(fā)生變化為Rt，Rt與溫度的關(guān)系是Rt＝R0（1＋αt），加不同的電流I、電壓Ui，可得Rt＝I／Ui，由此可求出鋼絲的溫度：

多次測量并計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)見表1．

表1 測量數(shù)據(jù)

電流的大小既要滿足發(fā)熱需求，使傳感器有良好的靈敏度，又要盡量減少功耗，實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過多次測量比較最終取I＝0．60 A．氣體擺內(nèi)熱絲的溫度隨電壓變化關(guān)系如圖6所示．

圖6 溫度隨電壓變化關(guān)系

電橋輸出電壓和傳感器的傾斜角度Uo－θ之間的關(guān)系，如表2所示．用表2數(shù)據(jù)作ΔU－θ圖見圖7．

表2 電橋輸出電壓與傳感器傾斜角的關(guān)系

圖7 電橋輸出電壓和傾角的關(guān)系圖

由圖7可以求出斜率K＝5．2 m V／°，電橋平衡時有不為零的電壓，調(diào)零后ΔU＝0，電橋輸出電壓與傳感器傾斜角度的關(guān)系為

4 結(jié)果分析

通過多次實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)氣體擺平衡姿態(tài)傳感器的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）用氣體擺原理制成的平衡姿態(tài)傳感器由于氣體質(zhì)量小、慣性小，所以抗振性能好、反應(yīng)快；用氣體作為介質(zhì)比固體和液體都容易快速適應(yīng)姿態(tài)及環(huán)境的變化．

2）鋼絲完全可以勝任熱敏感和發(fā)熱2個功能，價格低廉，牢固，穩(wěn)定性好．

3）氣體擺平衡姿態(tài)傳感器用途廣，可以用于機(jī)器人運(yùn)動時傾角的測控；可以用于海上平臺或艦船的動態(tài)測控系統(tǒng)等．

現(xiàn)在的傳感器制作比較粗糙，所用材料選擇余地有限，還存在以下不足：

1）流經(jīng)鋼絲的電流還過大，由于電流的大小與鋼絲的直徑有關(guān)，實(shí)驗(yàn)室初次選擇0．60 mm的鋼絲，電流為3．0 A；現(xiàn)在選擇0．20 mm鋼絲，電流降到了0．60 A，如果能有直徑為0．1 mm或更小的鋼絲，電流有望繼續(xù)減小．此外，電流的大小還與密閉腔的外徑有關(guān)，如能減小外徑，增加內(nèi)部溫度梯度，那么電流也可減小．

2）目前傳感器的尺寸還大了些．

5 結(jié)束語

用氣體擺原理研制平衡姿態(tài)傳感器是學(xué)生在教師幫助與指導(dǎo)下第一次參加帶有科研性質(zhì)的制作，雖然實(shí)驗(yàn)室條件有限，可選擇的材料少，但卻受到不少啟迪：如何把學(xué)到的知識用于實(shí)驗(yàn)，用于研發(fā)，不懂的問題如何解決，等等．現(xiàn)在手工制作的傳感器樣品還很粗糙，有待繼續(xù)改進(jìn)．

［1］ 張福學(xué)．密閉腔內(nèi)氣流的擺特性［J］．中國工程科學(xué)，2002，4（8）：51－53．

［2］ 吳思誠．近代物理實(shí)驗(yàn)［M］．北京：高等教育出版社，2005．

［3］ 樸林華，張偉，張福學(xué)．密閉腔中自然對流氣體擺特性的有限元分析［J］．電子元件與材料，2003，22（12）：16－18，21．

［4］ 張瑞斌，秦穎，李敬安，等．用于指導(dǎo)交流電橋?qū)嶒?yàn)調(diào)零的矢量數(shù)學(xué)模型［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（6）：42－45．