深入了解角度传感器的应用（深入了解角度传感器的特点）

角度传感器的定义

角度传感器是指能够感知被测角度并将其转换成可用的输出信号的传感器。角度传感器，顾名思义，是用来检测角度的。它的主体上有一个适合乐高轴的孔。当连接到RCX 时，角度传感器每1/16 轴旋转一次进行计数。当朝一个方向转动时，计数增加，当旋转方向改变时，计数减少。该计数与角度传感器的初始位置有关。当角度传感器初始化时，其计数值设置为0，如有必要，您可以通过编程方式重置它。

通过计算旋转角度可以轻松测量位置和速度。当机器人上安装有轮子（或者通过齿轮传动使机器人移动）时，可以根据旋转角度和轮子周长的数量来推断机器人移动的距离。然后，您可以将距离转换为速度，也可以将其除以所用的时间。

事实上，计算距离的基本方程是：距离=速度时间

由此可得：速度=距离/时间

磁性角度传感器

磁阻角度传感器

磁敏角度传感器采用高性能集成磁敏元件，利用磁信号感应的非接触特性，是采用微处理器进行智能信号处理而制成的新一代角度传感器。

特点：无接触、灵敏度高、旋转寿命近乎无限、无噪音、重复性高、高频响应特性好。

优势：

1、磁体位置错位自动补偿；

2、故障检测功能；

3.非接触式位置检测功能是满足恶劣环境应用要求的理想选择。

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、航天仪器仪表、国防工业等转速、角度的测量。

2、汽车电子油门角位移、方向盘位置、座椅位置、大灯位置；

3.自动化机器人的运动控制、旋转电机的旋转与控制。

基于磁角度技术的线式位移传感器

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成具有线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通线性电位器和圆形电位器都可以分别用作线性位移和角位移传感器。然而，以测量位移为目的而设计的电位器，要求位移变化与电阻变化之间存在确定的关系。电位器位移传感器的活动电刷与被测物体相连，物体的位移引起电位器移动端电阻的变化。阻力的变化反映了位移的大小，阻力的增大或减小则表明了位移的方向。通常，向电位器施加电源电压，将电阻变化转换为电压输出。由于传统拉线式位移传感器的电阻在电刷移动时以匝间电阻的形式变化，因此其输出特性也呈梯形。如果将这种位移传感器用作伺服系统中的位移反馈元件，过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此，电位器生产时应尽量减小每匝电阻值。同时，电位器传感器的另一大缺点是易磨损、分辨率差、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。

基于磁角技术的拉线式位移传感器以磁场作为传输载体，将位移变换转化为磁场角位移。同时，位移信号通过通讯接口返回到应用系统。

基于磁角技术的拉线式位移传感器的功能是将拉线的机械位移转换成可以测量、记录或传输的电信号。它主要由自动复位弹簧、轮毂、磁铁和数据处理单元组成。其结构如图2所示。

从图2可以看出，基于磁敏角度技术的线式位移传感器主要由6部分组成。它改变了传统线式位移传感器接触式、易磨损、高频特性差等缺点。线式位移传感器基于磁敏角度技术，以磁场为介质，将机械位移变化转换为磁场角度变化。一方面解决了传统线式位移传感器的接触方式。另一方面减少磨损，改善系统的高频特性，从而保证位移检测的准确性。数据处理运算器将接收到的磁敏角度信号通过数学模型计算为拉线的位移信号。通信接口通过通信接口与应用系统的设备进行通信，接收来自应用系统的设备的命令，并将采集到的位移信号反馈给应用系统。提高了数据采集精度、稳定性和可靠性，降低了位移传感器的应用门槛。

各组件的功能描述如下：

1、拉线的钢丝绳缠绕在轮毂上，轮毂上连接有磁铁。当拉线发生位移时，带动轮毂旋转。轮毂的旋转引起与轮毂轴相连的磁铁旋转，从而使磁铁的磁场产生变化的角度。当导线发生移动时，自动复位弹簧保证导线具有一定的张力，并保证导线的位移与磁敏角度之间的比例关系。

2、磁性角度传感器与磁铁安装在同一中心轴上，感应磁铁角度的变化。选择微处理器。处理器读取磁角信息并建立数学模型来计算磁角。计算为拉线的位移。

3、通讯接口。微处理器通过通信接口接收来自应用系统的命令，并通过通信接口将位移信息返回给应用系统。

硬件接口电路

数据处理单元由磁角度传感器、微处理器单元、通信接口和输出模块组成。具体功能块如图所示。

通过分析，磁力角度传感器将电缆位移引起的磁铁磁场旋转的角度转换为磁角。微处理器单元采用32位嵌入式ARM对接收到的磁敏角度数据进行处理，完成磁敏角度数据的接收。由于接收的是磁场转换的角度，因此建立数学模型并与轮毂的角度相结合。利用直径等因素将磁敏角度转换为导线的位移。

电容式角位移传感器

电容式角位移传感器用于测量固定部件（定子）和旋转部件（转子）之间的旋转角度。它们因其结构简单、测量精度高、灵敏度高、适合动态测量而在工业中得到广泛应用。自动控制。

一般来说，电容式角位移传感器由一组或多组扇形固定板和旋转板组成。为了保证传感器的精度和灵敏度，同时避免由于环境温度等因素的变化导致介电常数、极板形状的变化，传感器的间接变化等，从而对性能产生不利影响对传感器的制造材料、加工工艺和安装精度提出了更高的要求。为了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长期的研究工作，主要思路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：

它由敏感元件、测量电路、智能元件和接口元件组成。敏感元件结构如图1所示。测量元件由选择单元、激励源和电荷检测单元组成；智能部分由I/O单元和A/D单元组成。滤波单元、角度计算单元等；接口部分由电流输出单元、RS232通讯单元等组成。

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位。测量单元采用先进的防杂散微电容检测电路，将电容值转换为电信号。智能组件的主要功能是通过比例算法计算输出角位移，最后由接口组件输出角度计算结果。

倾斜传感器

倾斜传感器通常用于系统液位测量。从工作原理上可分为“固体摆”型、“液体摆”型、“气体摆”型三种。倾斜传感器还可用于测量相对于水平面的倾斜角度。变化量。

倾斜传感器的基本原理

理论基础是牛顿第二定律。根据基本物理原理，在一个系统内，速度是无法测量的，但其加速度是可以测量的。如果已知初速度，则可以通过积分计算出线速度，进而计算出线位移。所以它实际上是一个利用惯性原理的加速度传感器。

当倾角传感器静止时，即没有横向和垂直方向的加速度，那么只有重力加速度作用在其上。重力垂直轴与加速度传感器敏感轴之间的夹角就是倾斜角。

随着MEMS技术的发展，惯性传感器件已成为过去几年最成功、应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计就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，目前的MEMS加速度计具有非常高的集成度，即将传感系统和接口电路集成在一块芯片上。

该倾斜传感器在一块非常小的电路板上集成了MCU、MEMS加速度计、模数转换电路和通信单元。它可以直接输出角度等倾斜数据，使人们使用起来更加方便。

其特点是：硅微机械传感器（MEMS）以水平面为参考面测量双轴倾角变化。输出角度以水平面为参考，可以再次校准。数据输出，接口形式包括RS232、RS485并可定制。抗外界电磁干扰能力强。

倾斜传感器的分类

“固体摆”惯性装置

实心摆在设计上广泛采用力平衡伺服系统，由摆锤、摆线和支架组成。摆锤受到重力G和摆锤张力T的影响。例如应变式倾角传感器就是基于这个原理。

“液摆”惯性装置

液体摆的结构原理是在玻璃壳内安装导电液体，外部连接三个铂电极。三个电极彼此平行且等距。当外壳水平时，电极插入导电液体中相同的深度。如果在两个电极之间施加等幅度的交流电压，电极之间就会形成离子电流，两个电极之间的液体相当于两个电阻RI和RIII。如果液体摆是水平的，则RI=RIII。当玻璃壳倾斜时，电极之间的导电液体不相等，三个电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极的浸入深度基本保持不变。如果左电极浸入深度较小，则导电液体减少，导电离子数量减少，电阻RI增大。对电极上，导电液体增多，导电离子数量增多，电阻RIII减小，即RI>RIII。反之，如果倾斜方向相反，则RI

气体是密封腔内唯一的运动体。它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也较小，因此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，其精度无法满足军事武器系统的要求。

实心摆倾角传感器具有明确的摆长和中心，其机理与加速度传感器基本相同。实际应用中，产品类型较多，如电磁摆式，具有较高的测量范围、精度和抗过载能力，在武器系统中也得到广泛应用。

液摆倾斜传感器介于两者之间，但系统稳定。广泛应用于高精度系统中，国内外产品大多属于此类。

角度传感器选择标准

1、频率响应特性

角度传感器的频率响应特性决定了要测量的频率范围，在允许的频率范围内必须保持不失真的测量条件。事实上，传感器的响应总是有一定的延迟。希望延迟时间尽可能短。

传感器的频率响应高，可测量信号频率范围宽。由于结构特性的影响，机械系统惯性较大，低频传感器可测量信号频率较低。

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）来确定，以避免误差过大。

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尽可能高。因为只有灵敏度高时，被测变化对应的输出信号值才会比较大，有利于信号处理。但需要注意的是，传感器灵敏度较高，与测量无关的外部噪声很容易混入，并会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身具有较高的信噪比，以尽量减少外界引入的干扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。当被测物体为单一矢量且方向性要求较高时，应选择其他方向灵敏度较小的传感器；如果被测物体是多维矢量，则传感器的交叉灵敏度必须尽可能小。

3、稳定性

传感器在使用一段时间后保持其性能不变的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除了传感器本身的结构外，主要是传感器的使用环境。因此，为了使传感器具有良好的稳定性，传感器必须具有较强的环境适应性。

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，或者采取适当的措施减少对环境的影响。

4. 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，灵敏度保持恒定。传感器的线性范围越宽，其测量范围就越大，并能保证一定的测量精度。选择传感器时，确定传感器类型后，首先要检查其测量范围是否满足要求。

但实际上，没有任何传感器能够保证绝对的线性，其线性也是相对的。当要求的测量精度较低时，非线性误差较小的传感器在一定范围内可以近似视为线性，这会给测量带来很大的方便。

角度传感器的质量不是由单一因素决定的。简单来说，并不是越灵敏越好，也不是越稳定越好。这些都是很多考虑因素。最好根据自己的要求来选择适合自己的传感器。

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