Inventário | Princípio de funcionamento de sensores de inclinação comumente usados
Sensores de inclinação também são chamados de inclinômetros, níveis e medidores de inclinação. Eles são frequentemente usados para medir o ângulo horizontal de um sistema. Antigamente, esse tipo de sensor era um simples nível de bolha. Com o desenvolvimento da automação e da tecnologia de medição eletrônica, os tipos de sensores de inclinação têm aumentado gradualmente. De acordo com o princípio de funcionamento, eles podem ser divididos em três tipos de sensores de inclinação: 'pêndulo sólido' e 'nível de inclinação de 90°'.
1. Sensor de ângulo de inclinação de pêndulo sólido O pêndulo sólido é amplamente utilizado no projeto de um sistema servo de equilíbrio de forças. Como mostrado na figura, ele é composto por um pêndulo, uma cicloide e um suporte. Sob a ação da gravidade G e da força de tração do pêndulo T, a força externa resultante F é dada por F = ∫G senθ ∫mg senθ. Nessa equação, θ é o ângulo entre a cicloide e a vertical. Ao medir em uma pequena faixa angular, F e θ podem ser considerados como tendo uma relação linear, e o sensor de inclinação do tipo deformação é baseado nesse princípio. 2. Sensor de inclinação do pêndulo líquido O princípio de funcionamento do pêndulo líquido consiste em um líquido condutor instalado em um invólucro de vidro, com três eletrodos de platina conectados externamente. Os três eletrodos são paralelos e equidistantes, conforme ilustrado na figura. Quando o invólucro está na horizontal, os eletrodos são inseridos no líquido condutor até a mesma profundidade. Ao aplicar uma tensão alternada de mesma amplitude entre dois eletrodos, uma corrente iônica é formada entre eles. A resistência do líquido entre os dois eletrodos é equivalente à resistência entre dois resistores, R1 e R3. Se o líquido oscilar horizontalmente, a resistência entre eles será igual à resistência entre R1 e R3. Quando a cápsula de vidro é inclinada, o líquido condutor entre os eletrodos não é uniforme, e a profundidade de imersão dos três eletrodos no líquido também se altera, mas a profundidade de imersão do eletrodo central permanece praticamente inalterada. Se a profundidade de imersão do eletrodo da esquerda for pequena, o líquido condutor diminuirá, o número de íons condutores diminuirá e a resistência RI aumentará. No polo oposto, o líquido condutor aumentará, o número de íons condutores aumentará e a resistência RIII diminuirá, ou seja, RI > RIII. Por outro lado, se a inclinação for oposta, RI
Na aplicação do pêndulo líquido, também ocorre uma mudança no sensor de pressão de acordo com a mudança na posição do líquido, o que causa a alteração do sinal elétrico de saída e a mudança do ângulo de inclinação. Na prática, além desse tipo, existe também um 'pêndulo líquido' que deixa uma bolha na solução eletrolítica. Quando o dispositivo é inclinado, a bolha se move, alterando a capacitância e induzindo um 'pêndulo líquido'. 3. Sensor inercial do tipo pêndulo a gás O elemento inercial do tipo "pêndulo a gás" é composto por uma cavidade fechada, gás e um fio aquecido. Quando o plano da cavidade se inclina em relação ao plano horizontal ou quando a cavidade é submetida a aceleração, a resistência do fio aquecido se altera, e essa alteração é função do ângulo θ ou da aceleração, apresentando, portanto, um efeito pendular. A variação na resistência do fio aquecido é causada pela troca de energia entre o gás e o fio aquecido. O mecanismo sensível do dispositivo inercial do tipo "pêndulo a gás" baseia-se na transferência de energia em uma cavidade fechada. Dentro dessa cavidade, há gás e um fio aquecido, sendo o fio aquecido a única fonte de calor. Quando o dispositivo é energizado, ele aquece o gás. A convecção é a principal forma de troca de energia térmica. O principal elemento sensível do dispositivo de detecção por pêndulo de gás é o fio quente. A corrente elétrica flui através do fio quente, que gera calor para se manter a uma determinada temperatura. A temperatura do fio quente é superior à do gás ao seu redor, aumentando sua energia cinética e, consequentemente, impulsionando o fluxo de gás para cima. No estado de equilíbrio, conforme ilustrado na Figura 4(a), os fios quentes estão no mesmo plano horizontal e o ar ascendente flui através deles à mesma velocidade, ou seja, V1u003dV1'. Nesse momento, o fluxo de ar exerce o mesmo efeito sobre os fios quentes, conforme mostrado na equação (7). Observa-se que a corrente que flui através do fio quente também é constante, e a ponte está em equilíbrio. Quando a cavidade fechada é inclinada, a altura do fio quente em relação ao plano horizontal se altera, conforme ilustrado na Figura 4(b). Como o fluxo de gás na cavidade fechada é contínuo, o fluxo de ar quente passa sequencialmente pela parte inferior durante o movimento ascendente, e pela parte superior. Se negligenciarmos a perda de energia para vencer a gravidade durante a ascensão do gás, o fluxo de ar que passa pelo fio quente superior já terá trocado calor com o do fio quente inferior, de modo que a velocidade do fluxo de ar ao passar pelos dois fios quentes será diferente. Nesse momento, V2'>V2, portanto, as correntes que fluem pelos dois fios quentes também mudam correspondentemente, fazendo com que a ponte perca o equilíbrio e emita um sinal elétrico. O sinal elétrico emitido varia conforme o ângulo de inclinação. Comparação do desempenho de pêndulos sólidos, líquidos e gasosos No que diz respeito aos sensores de inclinação baseados nos princípios de pêndulos sólidos, líquidos e gasosos, cada um apresenta suas próprias vantagens. No campo gravitacional, a massa sensível de um pêndulo sólido é a própria massa do pêndulo, a massa sensível de um pêndulo líquido é o eletrólito e a massa sensível de um pêndulo gasoso é o próprio gás. O gás é o único corpo em movimento na cavidade selada. Sua massa é pequena e a força inercial gerada em caso de grande impacto ou sobrecarga elevada também é pequena, o que lhe confere uma forte capacidade de resistir a vibrações ou impactos. No entanto, o controle do movimento do gás é mais complexo, e muitos fatores afetam seu movimento, e sua precisão não atende aos requisitos dos sistemas de armas militares. O sensor de inclinação de pêndulo sólido possui um comprimento e centro de pêndulo bem definidos, e seu mecanismo é basicamente o mesmo de um sensor de aceleração. Em aplicações práticas, existem diversos tipos de produtos, como pêndulos eletromagnéticos, que apresentam alta faixa de medição, precisão e capacidade de resistência à sobrecarga, sendo também amplamente utilizados em sistemas de armas. O sensor de inclinação de líquido situa-se algures entre os dois, mas o sistema é estável e é amplamente utilizado em sistemas de alta precisão, sendo a maioria dos produtos nacionais e estrangeiros deste tipo. Atualmente, o sensor de inclinação tornou-se uma ferramenta de medição indispensável e importante nas áreas de construção de pontes, assentamento de ferrovias, engenharia civil, perfuração de petróleo, aviação e navegação, automação industrial, plataformas inteligentes e processamento mecânico.
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