傾角傳感器是一種用于測(cè)量物體相對(duì)平面傾斜角度的儀器。傾角傳感器又稱作傾角儀、傾斜儀、測(cè)斜儀、水平儀、傾角計(jì)，經(jīng)常用于物體的水平角度變化的精確測(cè)量，用它可測(cè)量被測(cè)平面相對(duì)于水平位置的傾斜度、兩部件相互平行度和垂直度；已成為橋梁架設(shè)、鐵路鋪設(shè)、土木工程、石油鉆井、航空航海、工業(yè)自動(dòng)化、智能平臺(tái)、機(jī)械加工等領(lǐng)域的重要測(cè)量?jī)x器。

01 傾角傳感器的工作原理

傾角傳感器基于牛頓第二定律原理，通過(guò)測(cè)量重力加速度和物體相對(duì)于垂直方向的加速度，傾角傳感器內(nèi)的加速度計(jì)內(nèi)部有多個(gè)微小的質(zhì)量塊。

當(dāng)物體沒(méi)有受到外力時(shí)，重力會(huì)使加速度計(jì)指向地球的重力方向。當(dāng)物體發(fā)生傾斜時(shí)，加速度計(jì)會(huì)感應(yīng)到重力分量的改變，通過(guò)計(jì)算和處理這些數(shù)據(jù)，傾角儀可以準(zhǔn)確測(cè)量出物體的傾斜度。

如何把傾角的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為可供識(shí)別的物理量？工程師利用傾角改變帶來(lái)電容、電阻、電流及磁場(chǎng)改變的原理來(lái)測(cè)量?jī)A斜角度。這類型的傾角傳感器體積大、功耗高、精度低，且只能測(cè)量靜態(tài)傾角。典型的電容傾角傳感器的原理如圖所示。

進(jìn)入90年代以后，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System,MEMS)和微加工技術(shù)的發(fā)展,基于MEMS技術(shù)的微型加速度傳感器也隨之迅速發(fā)展。MEMS加速度傳感器具有成本低，體積小，重量輕、功耗低、精度高、抗過(guò)載沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，便于大規(guī)模制造，一致性非常好。因此上市后迅速取代了傳統(tǒng)的加速度傳感器。對(duì)于MEMS加速度傳感器，通常都是3軸的加速度傳感器。因此利用重力加速度在三軸上的分量的比例關(guān)系，可以計(jì)算出三軸的傾斜角度。國(guó)內(nèi)不少?gòu)S商根據(jù)此原理研究出適合各個(gè)行業(yè)應(yīng)用的傾斜角度傳感器，例如國(guó)內(nèi)的深圳安銳科技有限公司的高精度傾角傳感器，應(yīng)用于我國(guó)“雪龍?zhí)枴笨瓶即却笮脱b備及建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

應(yīng)用原理中，無(wú)線傾角傳感器獲取高精度 MEMS 傳感器的角度值，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)把數(shù)值傳輸?shù)狡脚_(tái)，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，測(cè)出被測(cè)物的相對(duì)角度變化或角度變化。

MEMS傾角傳感器的應(yīng)用非常廣泛，關(guān)于原理介紹的資料非常多，在此不再累述。

02 傾角傳感器都有哪些類型

傾角傳感器按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞娇煞譃橛芯€傾角傳感器與無(wú)線傾角傳感器兩種類型。有線傾角傳感器通常采用RS485總線來(lái)傳輸傾角信號(hào)。無(wú)線傾角傳感器常見(jiàn)的有NB-IoT無(wú)線傾角傳感器、LORO無(wú)線傾角傳感器。

按照工作原理的不同，傾角傳感器可以分為靜態(tài)傾角傳感器和動(dòng)態(tài)傾角傳感器。靜態(tài)傾角傳感器主要用于測(cè)量物體的靜態(tài)傾斜角度，例如橋梁、危房、電力鐵塔等結(jié)構(gòu)物的傾斜監(jiān)測(cè)。動(dòng)態(tài)傾角傳感器則適用于測(cè)量物體在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的傾斜角度，例如航空航天和汽車工業(yè)中的動(dòng)態(tài)平衡控制。

此外，根據(jù)測(cè)量范圍的不同，傾角傳感器還可以分為單軸、雙軸和三軸傾角傳感器。單軸傾角傳感器只能測(cè)量物體在一個(gè)平面上的傾斜角度，雙軸傾角傳感器可以同時(shí)測(cè)量物體在兩個(gè)平面上的傾斜角度，而三軸傾角傳感器可以同時(shí)測(cè)量三個(gè)維度的傾斜角度。

部分有實(shí)力的廠家還研發(fā)了集成多種傳感器的復(fù)合傳感器，例如安銳測(cè)控用于建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的靜力水準(zhǔn)儀傾角儀，可以同時(shí)測(cè)量沉降和傾角及振動(dòng)，在此基礎(chǔ)上利用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，研究出適合在振動(dòng)環(huán)境中準(zhǔn)確測(cè)量沉降+傾斜+振動(dòng)的動(dòng)力水準(zhǔn)儀。另外高精度三維傾斜角度傳感器通過(guò)三角函數(shù)換算為位移數(shù)據(jù)，便可升級(jí)為測(cè)量?jī)?nèi)部三維位移的節(jié)段式位移計(jì)。

03 傾角傳感器的選型

在選擇傾角傳感器時(shí)，需要考慮測(cè)量范圍、精度、供電方式、聯(lián)網(wǎng)方式、工作環(huán)境和成本等因素。首先，根據(jù)測(cè)量范圍確定傳感器的測(cè)量范圍。如果需要測(cè)量較大范圍的傾斜角度，可以選擇測(cè)量范圍較大的傳感器。其次，要考慮傳感器的精度，即傳感器輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。高精度的傳感器可以提供更準(zhǔn)確的傾斜角度數(shù)據(jù)。再者，要選擇適合自己需求的輸出方式，傳感器的輸出可以是模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。根據(jù)自己的需要選擇合適的輸出方式。此外，還要考慮傳感器的工作環(huán)境，例如溫度、濕度等，選擇能夠適應(yīng)工作環(huán)境的傳感器。最后，根據(jù)預(yù)算確定傳感器的成本，選擇性價(jià)比較高的傾角傳感器。

隨著現(xiàn)代社會(huì)的需求和技術(shù)的發(fā)展，深圳安銳科技已研發(fā)出集成數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸、太陽(yáng)能供電、低功耗休眠喚醒功能的高精度無(wú)線傾角儀，解決了現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)市電、沒(méi)寬帶、施工布線成本高等需求痛點(diǎn)。

04 有線傾角傳感器與無(wú)線傾角傳感器

? 關(guān)于有線傾角傳感器

有線傾角傳感器內(nèi)置高性能MCU內(nèi)置算法，通過(guò)較高的過(guò)采樣率，提高數(shù)據(jù)的高頻特性，通過(guò)數(shù)據(jù)濾波算法去掉不合理的偶發(fā)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)后，用卡爾曼濾波算法進(jìn)行更高精度的數(shù)據(jù)處理。適用于監(jiān)測(cè)頻率要求很高的結(jié)構(gòu)物變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，無(wú)線傾角儀也一樣具有這些，再配合安銳測(cè)控云平臺(tái)及物聯(lián)網(wǎng)關(guān)輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

通常來(lái)說(shuō)，建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量巨大，傾角的改變速率是比較微小，且有一個(gè)發(fā)展的過(guò)程。常規(guī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的采樣頻率不高，一天一次即可滿足要求。此種情況下，選擇自帶電池的無(wú)線傾角傳感器合適，安裝使用非常方便。如安銳測(cè)控的無(wú)線傾角傳感器，設(shè)置為每天一次工作，可以工作4年以上，如果有太陽(yáng)，還可以選擇自帶太陽(yáng)能的無(wú)線傾角傳感器，可以工作數(shù)十年。值得一提的是安銳測(cè)控的無(wú)線傾角傳感器自帶智能感知技術(shù)，如果遇到傾角變化超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，立即喚醒并上傳數(shù)據(jù)，不會(huì)錯(cuò)過(guò)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測(cè)。

有些使用場(chǎng)景，如房屋監(jiān)測(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)基本都有220V市電，可以采用成本較低的有線傾角傳感器。當(dāng)然，對(duì)采集頻率要求高的監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，選擇有線傾角傳感器是明智的選擇。

? 關(guān)于無(wú)線傾角傳感器

無(wú)線傾角傳感器中的NB-IoT直連款與LORA組網(wǎng)款：

這兩款的聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸方式不同，一臺(tái)NBIOT的無(wú)線傾角傳感器就是一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)，直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至安銳測(cè)控云平臺(tái)，在安銳測(cè)控云平臺(tái)中，這種設(shè)備定義為直連設(shè)備；而LORA版分為L(zhǎng)ORA主節(jié)點(diǎn)和LORA子節(jié)點(diǎn)，LORA主節(jié)點(diǎn)為多功能網(wǎng)關(guān)-LORA版和4G采集儀-LORA版兩種設(shè)備，LORA子節(jié)點(diǎn)只有一種設(shè)備類型，子節(jié)點(diǎn)為低功耗型設(shè)備，主節(jié)點(diǎn)為非低功耗型設(shè)備。

應(yīng)用范圍也不同，NB-IoT的應(yīng)用范圍是單點(diǎn)布設(shè)。LORA應(yīng)用于多點(diǎn)布設(shè)。且都是應(yīng)用在被測(cè)物不易布線實(shí)施、測(cè)點(diǎn)相對(duì)較少且分散的場(chǎng)景。

例如隧道監(jiān)測(cè)，在隧道中信號(hào)不穩(wěn)定甚至是沒(méi)有信號(hào)的，那么在這種情況下我們就可以選擇LORA款無(wú)線傾角傳感器，利用LORA子節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，既把子節(jié)點(diǎn)布置在隧道內(nèi)，而主節(jié)點(diǎn)安裝在隧道外（隧道出口），以此主節(jié)點(diǎn)收到子節(jié)點(diǎn)的傳輸數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨蹭J測(cè)控云平臺(tái)，即可解決無(wú)信號(hào)也能完成數(shù)據(jù)上傳的困擾。

監(jiān)測(cè)設(shè)備需根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景而定，監(jiān)測(cè)要求不同，那么需要配備的功能（性能）則不同，配置越高價(jià)格自然就越貴，安銳測(cè)控的無(wú)線傾角是三軸的且價(jià)格中等偏下。

05 傾角傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景

? 有線傾角傳感器可廣泛應(yīng)用于房屋危房、橋梁、大壩、盾構(gòu)頂管、軌道交通、高層建筑、邊坡監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景。

? 無(wú)線傾角傳感器可廣泛應(yīng)用在橋梁建筑物、輸電塔/信號(hào)塔傾斜、危房、古建筑、倉(cāng)庫(kù)貨架、智慧小鎮(zhèn)、智慧燈塔、風(fēng)機(jī)塔筒傾斜監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景。