电解液倾角计的温度系数：来源、定义和提高精度的使用方法

发布时间：2021-01-19

环境温度的变化会改变所有电解液传感器的机械和电气特性。金属膨胀和收缩之后、电性能参数如电阻、电容等将增大或减小。这种温度效应改变了传感器的输出，并降低了被测变量（压力、流量、倾角、应变等）的准确度。本技术备忘录描述了一种传感器（ Jewel 电解液倾角计）的温度依赖性来源，并解释了如何消除这种影响以大限度地提高准确度。这里介绍的原理也适川卜许多其他类型的倾角计传感器。

正如电解液倾角计传感器表现出随温度而变的特性一样，自然和工程结构（包括斜坡、堤坝／路堤、混凝土和钢结构）也是如此。随日和季节温度波动而产生的热膨胀和收缩会产生真实的运动，并能由倾角计和其他传感器检测到。本文讨论了这种效应的大小，以及将其与纯传感器特性相区分开来的方法。

温度系数的来源
Jewel公司倾角计中的传感器被称为电解液倾角传感器，它是一种电子气泡水平仪，由一个玻璃瓶、导电液体（电解液）、一个气泡和多个铂电极组成。随着传感器的倾斜，每个激励电极（如图1所示）的润温面积会增大或减小（取决于倾斜方向）。这种变化会导致中心拾取电极和线个激励电极之间的电阻增大或减小。倾角计的电子部件能感测到这些电阻的变化，并将其转换为倾角大小和方向的精确测量值。

广角陶瓷传感器,陶瓷倾角传感器,陶瓷倾斜传感器

温度波动将导致传感器电解液的热膨胀或收缩，气泡变小或变大，并改变了与每个激励电极接触的液体量。这个过程改变了传感器的标度变换率（或增益），并可以改变其零点。产生的结果是在没有任何真实倾斜运动的情况下，传感器的输出会发生微小变化。实验表明，液体的体积膨胀和收缩是 Jewell 电解液倾角计温度系数的最大单一来源。这种影响远大于传感器玻璃瓶尺寸的变化，玻璃瓶的热膨胀系数比液体的热膨胀系数小 100 倍。

倾角计的外壳以及外壳与传感器之间机械连接件的热弹性是倾角计零点漂移的另一个来源．为了尽量减少这种影响，采用了刚性的外壳，井且尽可能少地制造传感器和外壳之间的连接。在许多设计中，我们将倾角传感麟汽接装入外壳底座中，完全消除机械连接，把传感器和成座变成一个一体的部件。

倾角计的电路能部分消除（补偿）上述的温度影响。补偿之后剩下的倾角误差（残余误差）具有很高的重复性．并用两个线性温度系教来描述，即标度变换率温度系数Ks和零点漂移温度系教 K z。这两个系教涵盖了包括倾角计电子元器件在内的所有温度误差来源的影响。

温度对电解液传感器还有一个额外的影响。在倾角计的工作温度范围内（通常为-40度-+ 70度），电解液的电导率变化超过 5 倍。采用比率法侧量传感器的输出（将输出作为输入的百分比），Jewel公司电解液倾角计完全消除了这种影响．然而，在将传感器作为惠斯通电桥的一部分的设计中．电解液电钟书的变化．可能是侧量误差的主要来源。

温度系数的定义
标度变换率是倾角和倾角计输出之间的比例常数。它是在工厂通过校准倾角计来确定的-旋转倾角计至一系列己知的角度，并记录每个角度下的输出电压。根据校准数据计算得到的较好拟合直线的斜率即为倾角计校准证书上所记求的标度变换率Scal。实际上，每个温度下的斜率略有不同（如图 2 所示）。
微型测角传感器,双轴倾角传感器

每单位温度变化所产生的斜率变化为标度变换率温度系数：
高精度传感器,测角传感器,倾角传感器

安装有倾角计的结构在没有任何真实倾斜的情况下，温度变化也会改变校准直线的零交叉点（发生零点漂移）。在图 2 中，零偏移电仄是Vt，它导致在温度 T 时产生一个表观倾角。因此零点偏移电压等于或，单位温度变化的零点漂移定义为零点漂移的温度系效，Kz。
广角陶瓷传感器,陶瓷倾角传感器,陶瓷倾斜传感器

温度系数Ks和Kz在实验室中通过在两个或更多温度下进行校准来确定。

如何在没有温度补偿的情况下尽量减小温度引起的测量误差？
有几种方法可以大限度地减少温度引起的侧量误差，而且根本不涉及任何数据处理。在许多情况下，这些方法消除了对上述温度补偿程序的需要：
1、减少极端温度。
如有可能，传感器应当安装在地下或者阴凉处，把出现极端温度的概率减低。如果温度没有变化，它们就不会对测量产生任何影响。如果您的仪器必须安装在阳光直射的地方，请在保持良好通风的同时设置遮光罩。

2、选择浅色。
当其他技术条件相同时，浅色传感器的温度会更低，因此比深色传感器更好。

3、确定您的精度要求。
在为您的项目选择倾角计之前，确定所需的精度并估计传感器将经历的温度范围。然后从制造商那里得到需要考虑的倾角计温度系数。按照上一节的步骤，使用温度范围和系数来计算潜在的误差。如果这些误差小于您的精度要求，则无需温度补偿。

4、采用机械稳定性更好的倾角计设计。
选择这样一种倾角计设计，它能使传感器本身的热弹性变形最小。体积小巧、刚性的外壳比两端固定的加长粱设计更稳定，而且更不容易弯曲或振动。此外，内部传感器和外壳之间的机械连接越少越好。

5、采用机械稳定性更好的安装方法。
采用热弹性稳定性的安装方法。三点安装是较好的安装方法，因为它刚性高，并且可以防在点安装中可能出现的弯曲和扭转现象。把倾角计固定在结构上的安装螺柱（通常是螺纹杆）应尽可能短，并且安装螺柱的长度和材料相同。在特殊情况下, 可以使用热稳定好，但更加昂贵的因瓦合金螺柱。