角度传感器的应用浅谈角度传感器的应用

发布时间：2024-11-24 06:11:49

浅谈角度传感器的应用

大家好，我是【广州工控传感★科技】传感器事业部，张工。

概述：角度传感器是用来检测与角度相关的各种参数（角位移、角加速度等）的传感器。

应用

角度测量是几何测量的重要组成部分。角度量的范围很广。平面角可分为水平面的水平角（或方位角）、垂直面的垂直角（或倾角），空间角是水平角和垂直角的合成；按范围可分为圆形分度角和小角；按标称值可分为固定角度和任意角度；按元件单位可分为线角和面角；按形成方式可分为固定角度角度和动态角度，固定角度是指加工或组装的部件的角度、仪器旋转后返回静止状态时的角度位置等；动态角是指物体或系统在运动过程中的夹角，如卫星轨道与地球赤道面的夹角，精密设备主轴旋转时的轴角漂移，实际角度测量设备以一定的角速度和角加速度运动时输出的时间角度信号。

角度传感器广泛应用于石油、煤炭、钢铁、船舶、隧道、医疗器械、水坝、机械、物探仪器、地质、岩土、石油、矿山、管道、测斜仪、铁路、港口、水利、高层建筑、墙洞、矿山、隧道、码头、防滑桩和板桩、煤矿、动力冲击实验、地质、卫星GPS系统、风水、越野车、导航、实验仪器、数字水准仪、医疗、机械水准测量，角度测量与监控，汽车，起重机械运动检测，康复系统，生物工程系统，虚拟现实，现实变焦，运动，惯性导航系统，人体姿态测量，工业机械，摩托车陀螺仪，光纤，制导，平衡，定向，方向测量、动态跟踪、捷联、惯性、导航、方位角、角速度、测速、机械、爆炸、测量等行业。

分类

按输入物理量可分为：倾角传感器、角速度传感器、角加速度传感器等。

1、倾角传感器

倾角传感器又称倾角仪、测斜仪、水平仪、倾角仪，常用于测量系统水平角的变化。倾角传感器用于测量角度的各种应用。例如高精度激光仪器水准测量、工程机械设备水准测量、远距离测距仪器、高空平台安全防护、定向卫星通信天线俯仰角测量、船舶导航姿态测量、盾构顶管应用、大坝检测、地质装备倾斜监测、炮管触发角测量、雷达车平台探测、卫星通信车姿态探测等。

2、角速度传感器又称陀螺仪，是利用高速旋转体的动量矩敏感壳绕与旋转正交的一或二轴相对惯性空间的角运动检测装置轴。这是一个机械陀螺仪。

3、角加速度传感器是指能够测量角加速度并将测量结果转换成可用的模拟或数字信号的仪器。广泛应用于无人机、军工、水坝、建筑、玩具、汽车、铁路、地质仪器、建筑仪器等。

选型指南

1.灵敏度的选择

一般来说，在角度传感器的线性范围内，角度传感器的灵敏度越高越好。因为只有在灵敏度高的情况下，输出信号对应于被测变化的值才比较大，有利于信号处理。但需要注意的是，传感器的灵敏度高，与测量无关的外部噪声也容易混入，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，以尽量减少外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是定向的。当被测量为单向量时，其方向性要求较高时，应选择其他方向灵敏度较小的传感器；如果被测量是多维向量，则传感器的交叉灵敏度越小越好。

2.频率响应特性

角度传感器的频率响应特性决定了要测量的频率范围，测量条件必须保持在允许的频率范围内不失真。其实传感器的响应总是有一定的延迟的，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测信号的频率范围宽，并且由于结构特性的影响，机械系统的惯性大，传感器可测信号的频率低。在动态测量中，响应特性应根据信号的特性（稳态、瞬态、随机等）来避免过大的误差。

3. 线性范围

角度传感器的线性范围是输出与输入成比例的范围。理论上，在这个范围内，灵敏度保持不变。传感器的线性范围越宽，其量程越大，并能保证一定的测量精度。在选择传感器时，在确定传感器的类型时，首先要看其量程是否满足要求。但实际上，没有一个传感器可以保证绝对的线性，它的线性也是相对的。当所要求的测量精度比较低时，在一定范围内，非线性误差较小的传感器可以近似视为线性，这会给测量带来很大的方便。

4. 稳定性

传感器在一段时间内保持其性能不变的能力称为稳定性。除了传感器本身的结构外，影响传感器长期稳定性的因素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，传感器必须具有很强的环境适应性。此外，在选择角度传感器前，应考察使用环境，根据具体使用环境选择合适的传感器，或采取适当措施减少对环境的影响。

注意事项

倾角安装注意事项：

安装传感器时，不正确的安装会导致测量角度误差较大。为保证“两侧”和“两条线”的正确安装，安装时请注意以下两点：

1、“两侧”是指传感器的安装面完全靠近被测物的安装面（被测物的安装面应尽量水平）。

有夹角（如图A中的角a）。正确的安装方法如图B所示。

2、“两条线”是指传感器的轴线与被测面的轴线平行，两条轴线不能有夹角（如图C中的角度b）。正确的安装方法如图 D 所示。

一文了解角度传感器

角度传感器，顾名思义，是用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，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，它的计数值被设置为0，如果需要，你可以用编程把它重新复位。

概述

当在机器人身上连接上轮子（或通过齿轮传动来移动机器人）时，可以依据旋转的角度和轮子圆周数来推断机器人移动的距离。然后就可以把距离转换成速度，你也可以用它除以所用时间。

实际上，计算距离的基本方程式为：

距离=速度×时间

由此可以得到：

速度=距离/时间

举例

如果把角度传感器连接到马达和轮子之间的任何一根传动轴上，必须将正确的传动比算入所读的数据。举一个有关计算的例子。在你的机器人身上，马达以3:1的传动比与主轮连接。角度传感器直接连接在马达上。所以它与主动轮的传动比也是3:1。也就是说，角度传感器转三周，主动轮转一周。角度传感器每旋转一周计16个单位，所以16*3=48个增量相当于主动轮旋转一周。我们需要知道齿轮的圆周来计算行进距离。幸运地是，每一个LEGO齿轮的轮胎上面都会标有自身的直径。我们选择了体积最大的有轴的轮子，直径是81.6CM(乐高使用的是公制单位)，因此它的周长是81.6×π=81.6×3.14≈256.22CM。

已知量都有了：齿轮的运行距离由48除角度所记录的增量然后再乘以256。我们总结一下。称R为角度传感器的分辨率（每旋转一周计数值），G是角度传感器和齿轮之间的传动比率。我们定义I为轮子旋转一周角度传感器的增量。

即：

I=G×R

在例子中，G为3，对于乐高角度传感器来说，R一直为16.因此，我们可以得到：

I=3×16=48

每旋转一次，齿轮所经过的距离正是它的周长C，应用这个方程式，利用其直径，你可以得出这个结论。

C=D×π

在我们的例子中：

C=81.6×3.14=256.22

最后一步是将传感器所记录的数据-S转换成轮子运动的距离-T，使用下面等式：

T=S×C/I

如果光电传感器读取的数值为296，你可以计算出相应的距离：

T=296×256.22/48=1580距离（T）的单位与轮子直径单位是相同的.

无接触角度传感器

无触点角度传感器，又称无接触电位器，广泛应用于工业自动化设备、工程机械、纺织机械、造纸印刷机械、石化设备、国防工业等自动控制设备的水平和旋转角度的测量，也适用于拉丝机等作张力传感器。

方位角度传感器

方位角又称地平经度，是在平面上量度物体之间的角度差的方法之一。传感器测量方位角是从某点的指北方向线起，依顺时针方向到目标方向线之间的水平夹角，是一种两面角，即午圈所在的平面与通过天体所在的地平经圈平面的夹角，以午圈所在的平面为起始面，按顺时针方向度量。方位的度量亦可在地平圈上进行，以南点为起算点，由南点开始按顺时针方向计量。方位的大小变化范围为0°～360°，南点为0°，西点为90°，北点为180°，东点为270°。上述这种方位度量是在天文学中所用的方法。

方位角传感器在跟随着军事技术的发展，有着高科技作战的性能。传感器测试系统的信息化是实现中国军队装备现代化建设主要途径，当务之急应该用高新技术提升老装备的性能。这既是提升现有武器装备的一个重要环节，又是最大限度地发挥现有装备整体作战效能的一个重要因素。我国现役的炮塔方位角系统中．老型号较多，大部分没有配备自动检测和录取设备。炮塔方位角系统的各种参数的计算、数据的处理和上报大多数由人工进行，难以胜任复杂环境下快速、准确采集。为适应现代化炮塔方位角系统的要求，必须具有一套自动采集和分析能力的完整测试系统。

应用领域

在程序不仅仅会用到乘法和除法的数学运算，还有更多的需要多留心（有关内容我们将在第12章进行进一步的讨论）。

使用角度传感器来控制你的轮子可以间接的发现障碍物。原理非常简单：如果马达

运转，而齿轮不转，说明你的机器已经被障碍物给挡住了。此技术使用起来非常简单，而且非常有效；唯一要求就是运动的轮子不能在地板上打滑（或者说打滑次数太多），否则你将无法检测到障碍物。

如果是一个空转的齿轮连接到马达上就可以避免这个问题，这个轮子不是由马达驱动而是通过装置的运动带动它：在驱动轮旋转的过程中，如果惰轮停止了，说明你碰到障碍物了。

在许多情况下角度传感器是非常有用的：控制手臂，头部和其它可移动部位的位置。值的注意的是，当运行速度太慢或太快时，RCX在精确的检测和计数方面会受到影响。事实上，问题并不是出在RCX身上，而是它的操作系统，如果速度超出了其指定范围，RCX就会丢失一些数据。Steve Baker用实验证明过，转速在每分钟50到300转之间是一个比较合适的范围，在此之内不会有数据丢失的问题。然而，在低于12rpm或超过1400rpm的范围内，就会有部分数据出现丢失的问题。而在12rpm至50rpm或者300rpm至1400rpm的范围内时，RCX也偶会出现数据丢失的问题。

军事上应用

大家熟知的火炮是利用火药燃气压力等能源抛射弹丸，口径等于和大于20毫米的身管射击武器。火炮通常由炮身和炮架两大部分组成。早在1332年，中国的元朝就在部队中装备了最早的金属身管火炮：青铜火铳。火炮通常由炮身和炮架两大部分组成。火炮射击时对炮床倾角的要求很高，利用角度传感器设计的数字式象限仪，可明显提高校正炮床的速度，降低操作难度。

角度传感器是作为炮弹发射的准确性，稳定性提供最大的帮助。大家都知道火炮身管用来赋予弹丸初速和飞行方向，炮尾用来装填炮弹，炮闩用以关闭炮膛，击发炮弹。如今炮架由反后坐装置、方向机、高低机、瞄准装置、大架和运动体，角度传感器等组成，而反后坐装置用以保证火炮发射炮弹后的复位，方向机和高低机用来保证火炮发射炮弹后复位，方向机和高低机用来操纵炮身变换方向和高低，瞄准装置由角度传感器，瞄准具和瞄准镜组成，用以装定火炮射击数据，实施瞄准射击，大架和运动体用于射击时支撑火炮，行军时作为炮车。

应用场合

系列倾角，角度传感器，距离传感器，加速度传感器，以及测量方位用的数字罗盘，电子罗盘和陀螺仪已经广泛的应用应用于石油，煤炭，钢铁，船舶，隧道，医疗设备，大坝，机械，物探仪器，地质，岩土，石油，矿山，管道，测斜导管，铁路、港口、水利、高层建筑，墙洞，矿井、隧道、船坞、抗滑桩和板桩，煤矿，动态冲击实验，地质，卫星GPS系统，风水，越野车，航海，实验仪器，数字水平仪，医疗，机械调平，角度测量和监视，汽车，起重机械运动检测，康复系统，生物工程系统，虚拟现实、现实放大，体育，惯性导航系统，人体姿态测量工业机械，摩托车陀螺仪，光纤，制导，平衡，导向，方向测量，动态跟踪，捷联，惯性，导航，方位角，角速度，速率，机械，爆转，测量等行业。

典型应用场合

地理:山体滑坡，雪崩.

民用:大坝，建筑，桥梁，玩具，报警，运输

工业：吊车，吊架，收割机，起重机，称重系统的倾斜补偿，沥青机．铺路机等。

火车：高速列车转向架和客车车厢的倾斜测量

海事：纵倾和横滚控制，油轮控制，天线位置控制。

钻井：精确钻井倾斜控制。

机械：倾斜控制，大型机械对准控制，弯曲控制，起重机

军用：火炮和雷达调整，初始位置控制，导航系统，军用着陆平台控制。

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