Инклинометры

Сенсоры угла наклона называют еще "инклинометрами" (от латинского incline – наклоняю). Чаще всего речь идет об угловом отклонении от вертикали или от горизонтальной плоскости. Уже самые древние строители использовали с этой целью отвесы, ватерпасы (рис. ,а,б,в), позже – уровни (рис. в). В начале ХХ века начали использовать ртутные выключатели, принцип действия которых показан на рис. 3.7,г. В герметически закрытой капсуле свободно перемещается капелька ртути. В капсулу из диэлектрика введены 2 металлических электрода. Когда капсула расположена вертикально, капля ртути находится в центре и электрически соединяет эти электроды. Если же капсула и плата, на которой она закреплена, наклоняются к горизонту на угол, который превышает критический, капля ртути под действием силы тяжести смещается, и электрический контакт разрывается, сигнализируя об опасном крене.

Рис. 3.7. Простейшие датчики наклона: а – отвес; б – ватерпас; в – уровень; г – ртутный выключатель

За последние десятилетия созданы и нашли широкое применение более точные инклинометры с электрическими выходными сигналами. На рис. 3.8 показан принцип действия электролитических инклинометров.

Рис. 3.8. Принцип действия электролитического инклинометра.

В несколько выгнутый герметичный корпус 1, например, из керамики или стекла, залит жидкий электролит 2 так, чтобы в нем остался воздушный пузырек 3. В корпус введены три электрода: электрод 4 – в центре, электроды 5 и 6 – на концах корпуса. Когда корпус находится точно в горизонтальном положении, а воздушный пузырек – над центральным электродом, то электрические сопротивления электролита между электродами 5 и 4, 4 и 6 одинаковы. Эти электрические сопротивления включены в плечи мостовой схемы, выход которой соединен с операционным усилителем. При равенстве сопротивлений мост сбалансирован, и сигнал на выходе равен нулю. Если сенсор слегка наклоняется, то воздушный пузырек смещается в сторону. Электрическое сопротивление между электродами изменяется. Баланс мостовой схемы нарушается, и на ее выходе появляется сигнал той или иной полярности, величина которого пропорциональная углу наклона. Чтобы исключить влияние поляризации электролита, для балансировки мостовой схемы и для ее питания используют переменный ток.

Другой вариант конструкции электролитического инклинометра показан на рис. 3.9. Электроды в виде проволочек размещены здесь параллельно оси, перпендикулярной к плоскости рисунка, вокруг которой при наклонах вращается сенсор. Жидкий электролит 2 заполняет корпус 1 лишь частично. Когда наклона нет, электрические сопротивления между центральным электродом 3 и боковыми электродами 4, 5 одинаковы. Эти сопротивления включены в плечи мостовой схемы переменного тока. Мостовую схему балансируют так, чтобы напряжение на выходе равнялось нулю. При наклонах сенсора количество электролита с одной стороны возрастает, а с другой уменьшается. Соответственно изменяются и электрические сопротивления. Сигнал на выходе мостовой схемы и после усилителя становится тем больше, чем больше угол наклона. А его полярность указывает направление наклона.

Рис. 3.9. Электролитический инклинометр: 1 - герметичный корпус; 2 - жидкий электролит; 3 - центральный электрод; 4, 5 - боковые электроды.

Много фирм выпускает подобные электролитические инклинометры: HL-Planartechnik Gmb, Seika Mikrosystemtechnik Gmb, Fraba Posital Gmb, ООО "Микросенсорные технологии", НПП "Уралметаллургавтоматика", The Fredericks Company и прочие. Разные серии инклинометров охватывают диапазоны углов наклона от –5° до +5° (с точностью измерения 0,001°), ±10° и ±15° (с точностью измерения 0,002°), ±30° (с точностью измерения 0,005°) и т.п.

Высокая точность, небольшие размеры, простота установки на объектах обусловили широкий диапазон их применения. Это и контроль за вертикальным положением высотных сооружений, точное определение направления бурения нефтяных, газовых и других буровых скважин, определение уклона автомобильных дорог, железнодорожных путей, штреков в шахтах, крена кораблей, автомобилей, строительных кранов и экскаваторов, измерение деформационного прогиба мостов, опорных балок и т.п.

Выпускаются не только простые, но и интеллектуальные инклинометры со встроенными микропроцессорами, которые выполняют довольно широкий набор функций. Это могут быть одно- и двухкоординатные инклинометры с цифровым интерфейсом, с возможностью автоматического управления предохранительными механизмами, с возможностью задания пользователем критических значений углов наклона, с выдачей предупредительных сигналов и т.п.

Некоторые промышленные образцы таких инклинометров показаны на рис. 3.10. Двухкоординатность достигается путем использования двух отдельных одноосных инклинометров, сориентированных во взаимно перпендикулярных направлениях.

Рис. 3.10. Некоторые образцы двухкоординатных интеллектуальных инклинометров

На рис. 3.11 показана оптоэлектронная конструкция инклинометра, которая обеспечивает возможность измерения одновременно двух углов наклона во взаимно перпендикулярных плоскостях. В корпусе 1 размещены светодиод 2, кремниевый чип 3 со сформированными в нем фотодиодами или фототранзисторами 4 и усилителями, пластиковое полушарие с прозрачной жидкостью 5 и оставленным в ней воздушным пузырьком 6. Этот пузырек, преломляя свет от светодиода 2, создает область тени 7. Когда корпус 1 расположен горизонтально, тень от пузырька одинаково прикрывает все 4 фотодиода. Если корпус немного наклоняется, то воздушный пузырек смещается. Соответственно по поверхности фотодиодов смещается и тень от него (рис. 3.11 справа). И сигналы от фотодиодов становятся разными. Их измерение позволяет точно рассчитать углы наклона относительно двух ортогональных осей. Для этого сенсор еще в процессе производства точно калибруют при нормальной и при крайних рабочих значениях температуры. Данные калибровки заносят в память микропроцессора.

Рис. 3.11. Конструкция и принцип действия двухкоординатного оптоэлектронного инклинометра

Погрешность измерения углов наклона таким способом не превышает 0,01°. Это позволяет с большой точностью контролировать форму поверхности, например, зеркал больших телескопов, плоскостность и горизонтальность направляющих рельсов больших высокоточных координатных столов и т.п.