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关于倾角计,你想知道的都在这了!
发布时间:2020-09-15

测斜仪是通过测量测斜管轴线与铅锤线之间的夹角变化量,来监测土、岩石和建筑物的侧向(水平)位移和竖向(垂直)位移的高精度仪器。测斜仪有活动型和固定型两种。

 

 

 
 

测斜类仪器中英文表述辨析

 
 

Clinometer

Inclinometer

Tiltmeter

倾斜计

测斜仪

倾角计

都是指用来测量相对于垂直重力矢量的旋转角度的惯性参考装置,垂直重力矢量是所有外部参考系中最稳定的。

 

对测斜类产品来说,“测斜仪”更偏重定性且分辨力较低;“倾角计”更偏重定量且分辨力较高。

“仪”

“计”

仪是指测量和记录观察量现时值的可视装置和设备。例如:气体报警仪、成分分析仪、应变仪、校验仪等。

能够直接观察到读数和状态。

计是指表示被分析物的信号最后已经被直接转化成了电信号且不可观察到测量值的工作装置。另外一般认为比较小的仪器用计表示,如温度计、pH计等。

 

以Jewell品牌为例,Jewell测斜类仪器的精度和分辨力均能达到很高的水平,因此在产品资料的翻译中均选择了“倾角计”这一名称。但实际上,我们把精度最高的传感器称为“tiltmeter”, 把通用900系列产品称为“clinometer”。

 

01

倾斜测量概述

倾角的定义 

直线或平面与水平线或水平面所成的角,或者一直线与其在平面上的射影所成的角等,都叫倾角。

倾斜测量的定义 

直接法测量:在一个测点上直接测量偏离基准面(或基准线) 的夹角,所采用仪器称倾角计(倾斜仪)。倾角计的种类很多,可分为两类,一类是以液体水平面为测量基准面,另一类是以铅垂线为测量基准线。

倾角与方位角辨析 

为了确定多自由度刚体(飞机、宇宙飞船、卫星、火箭以及导弹等)的运动状态,理论上一般根据参考系和旋转轴的不同分为三个角度描述转动:章动角、进动角和自转角。而在工程实际分析和测量飞行器运动时,一般称为方位角、俯仰角和翻滚角

方位角

俯仰角

翻滚角

方位角、俯仰角和翻滚角的精确动态测量对于实现飞行器姿态监测、调节和控制具有非常重要的意义。

 

02

角度计量单位

角度制 

度(°)、分(′)、秒(″)来测量角的大小的制度叫做角度制。

    规定周角的360分之一为1度的角,用度作为单位来度量角的单位制叫做角度制。注意“度”是单位,而非“1度”,因为单位的定义是计量事物标准量的名称。1度=60角分=3600角秒

弧度制 

用弧长与半径之比度量对应圆心角角度的方式,叫做弧度制,用符号rad表示,读作弧度。

    1弧度等于半径长的圆弧所对的圆心角。由于圆弧长短与圆半径之比,不因为圆的大小而改变,所以弧度数也是一个与圆的半径无关的量。角度以弧度给出时,通常不写弧度单位。1弧度= 57.296角度

 

03

倾角传感器测量原理

测斜类仪器的传感器型式有很多种,如伺服加速度计式、电阻应变片式、电位器式、振弦式、电感式、差动变压器式等等。

为了后续讨论的方便,现依据目前市场上广泛使用的主流分类方式将其细分为以下三种类型:

  1. 电解液式倾角传感器
  2. MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)倾角传感器
  3. 力平衡式倾角传感器

 

01

电解液式倾角传感器

 

结构组成:

电解液式倾角传感器应用了液体摆原理,其作为传感元件,本质上是电子水准仪(电子水平仪)。由一个装有电解液的玻璃瓶和三个与电解液接触的电极组成(2个激励电极+1个拾取电极)。

测量原理:

悬浮在装有电解液的容器中的气泡始终被重力矢量垂直平分。传感器倾斜时,小瓶围绕气泡运动,交替覆盖和暴露两个激励电极。在激励电极上施加恒定交流电压时,在中心拾取电极处测量的交流输出与倾角呈线性比例变化。换言之,传感器的作用相当于交流可变电阻(电位计)。在经过适当的信号调理后就能够得到倾角的测量值。

02

MEMS(微机电系统)倾角传感器

 

结构组成:

MEMS倾角传感器通过内置的加速度传感芯片实现对目标物体倾角的非接触式测量。加速度传感芯片由MEMS传感部件和信号处理电路组成,MEMS传感部件如左图所示。

测量原理:

图中蓝色部分可移动,红色部分固定。当被测物倾斜时会产生加速或减速,使得蓝色部分移动并导致红蓝之间电容发生变化,通过测量电容C1及C2即可确定加速度(如下图所示)。

03

力平衡式倾角传感器

 

结构组成:

是一种力反馈伺服平衡测量装置,通常由非接触位移传感器、力矩马达、误差和放大电路、反馈电路、悬臂质量块五部分组成。

结构组成:

应用固体摆原理,悬臂质量块与力矩马达的电枢连接在一起。非接触位移传感器用于检测质量块的位移量和方向。当整个传感器发生倾斜时,悬臂质量块便离开原来的平衡位置,非接触位移传感器检测出该变化后,将位置信号送入误差和放大电路,一方面传感器输出与倾角成一定比例的模拟信号;

    另一方面,该信号经反馈电路送入力矩马达的线圈,此时,力矩马达会产生一个与悬臂质量块运动方向相反、大小相等的力矩,力图使悬臂质量块回到原来的平衡位置。这样经过一定的时间后,悬臂质量块就停留在一个新的平衡位置上,这时,传感器输出的信号才是真正有效的信号。该输出信号一般为直流电压信号,也可内置V/I转换,输出4~20mA信号。但无论是输出电压或者电流信号,都与用度来表示的角度值成正弦关系。也就是说,要直接以度、分、秒为计量单位来表示角度值时,必须将传感器输出的电压或电流信号进行反正弦运算。

 

04

倾角传感器性能的关键参数

深入了解产品的关键参数,能够更加准确的判断产品适配度。在测量及数据采集过程中能够判断相关数字特征、解决实际问题。   

静态特性

传感器静态校准曲线(实际曲线)是在静态标准条件下测定的。利用一定精度等级的校准设备,对传感器进行往复循环测试,即可得到输出-输入数据。将这些数据取平均,即为传感器的静态校准曲线。

 
 
 
 

静态特性指标

线性度

灵敏度

精确度/精度

分辨力

迟滞

重复性

稳定性

漂移

标度变换率

 

线性度

在规定的条件下,传感器静态校准曲线(实际曲线)与拟合直线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度。

灵敏度

传感器的灵敏度是指到达稳定工作状态时,输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。

线性传感器

非线性传感器

精度

精密度δ:说明传感器测量结果的分散程度,是随机误差大小的标志,精密度高,意味着随机误差小。注意:精密度高不一定正确度高。

准确度ε:说明传感器输出值与真值的偏离程度。正确度是系统误差大小的标志,准确度高意味着系统误差小。同样,正确度高不一定精密度高。

精度:是精密度与正确度两者的总和,准确度高表示精密度和正确度都比较高。在最简单的情况下,可取两者的代数和。

精确等级A:在工程应用中,为了简单表示测量结果的可靠程度。

 
 


总结:

精密度:分散性,衡量随机误差;

准确度:与真值偏离度,衡量系统误差;

精度:综合优良程度。

 
 

分辨力

分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。

迟滞

表征测量系统在全量程范围内,输入量由小到大(正行程)与由大到小(反行程)标定曲线不重合的程度。亦称滞后、回程误差、回差或变差。

重复性

是指传感器输入量按同一方向在全测量范围内作多次测量时,输出特性不一致的程度。

稳定性

表示传感器在较长时间内保持其性能参数的能力,故又称长期稳定性。

漂移

传感器在输入量不变的情况下,输出量随时间变化的现象。

时间漂移:是指在规定的条件下,零点或灵敏度随时间的缓慢变化;

温度漂移:为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移。

标度变换率

将对应参数值的大小转换成能直接显示有量纲的被测工程量数值,也称为工程转换。

 

05

传感器选用原则

 # 原则 1

不应盲目的采用超过测试目的所要求精度的仪器;

 # 原则 2

当测试系统有许多环节组成时,该系统各环节的精度应是同一等级的。

 注意事项

1.灵敏度的选择:

一般来说,传感器灵敏度越高越好,但在确定灵敏度时,要考虑以下几个问题:

  • 量程范围;
  • 灵敏度过高引起的干扰问题;
  • 交叉灵敏度问题#。

2.线性范围的选择:

传感器在线性范围内输出与输入成比例关系,线性范围愈宽,则传感器工作量程愈大。

3.测量方式的选择:

传感器工作方式,也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如,接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。

 

倾角传感器

Jewell

 

Jewell Instruments

Jewell Instruments是加速度传感器和倾斜传感器以及电子罗盘,航空电子元件,螺线管和面板仪表的制造和销售厂商。为航空航天,医疗,工业,电信等众多行业提供定制解决方案。其主要产品为高质量传感器(包括加速度计和倾角计),在航空电子组件的增值领域已经成为标准设计和定制设计的主要厂商。

 

欧美大地目前代理Jewell产品9类(500系列、600系列、700系列、750系列、800系列、850系列、900系列、微型倾角传感器、信号调理板),51+1(DXI-100/200)种产品。涵盖了目前主流的所有三种(电解液、力平衡、MEMS)倾角传感器类型。

 #500系列

钻孔测斜仪是Jewell公司30多年倾角传感器经验和专业技能的尖端之作,代表了精密传感器制造工程的巅峰。应用包括火山和地壳构造的研究、水力压裂裂缝测绘、微变形监测、深海地球物理勘探等。

 

 # 600系列

600系列电解液倾角计具有超高的分辨力,且几乎没有长期漂移,输出为稳定的±8V 直流电压(±16V 差分)。坚固、可靠、极其精确,是火山监测、高精度岩土工程、桥梁挠度监测、精密计量、雷达平台调平和高准确度倾角监测等应用的首选。

 

 # 700系列

700系列电解液倾角计均为平台安装或底板安装形式,便于安装在水平表面上,其中A716-2型是特别设计安装于墙面的型号。另外,700系列中还有D711、A711的广角型,适用于在倾角变化幅度大的测量领域内应用。

 

 # 750系列

750系列(黑钻)力平衡式倾角计均配备有精密液体阻尼,因而其在高冲击和振动环境中具有优越的噪声抑制能力和出色的输出稳定性。750系列(黑钻)的输入范围、滤波器和温度补偿均可按照用户的要求进行定制。

 

 # 800系列

      800系列电解液式倾角计分为土木工程倾角计和潜水倾角计两种类型。其中潜水倾角计能够根据具体的测量环境选择深水型和浅水型。深水型倾角计的额定防水等级为2500米;浅水型倾角计的额定防水等级为200米。

 

 # 850系列

850系列MEMS(微电子系统)式倾角计是Jewell基于较低成本的MEMS技术而为工业应用提供的一种实用的设计方案,分为850和875两类。其中850型外壳坚固,用户能够灵活选择单双轴/电源输入以及进行温度传感器选购。875型则集高精度与耐用性于一身,体积小巧、经济实用,具有较高的测量精度。

 

 # 900系列

      900系列电解液式倾角计体积小巧,集成化程度高,非常适合OEM应用。主要包含集成倾角计、原位测斜仪和倾角开关/控制器三类产品。900型小尺寸和高精度的特点使它成为许多测量和控制应用的通用选择。

 

 # 微型倾角传感器

Jewell微型电解液式倾角传感器针对不同的测量量程及分辨力要求分为高增益型、中量程型和广角型三类。高增益型和中量程型的分辨率均达到微弧度数量级,而广角型则主要针对宽动态范围的测量环境。其中755/756型还有专门针对真空测量环境的配置。

 

 
 

如果您对倾角传感器感兴趣,或者有任何关于倾角传感器的选型、使用等问题,都可以联系欧美大地。我们有经验丰富的工程师,帮您解答疑惑。

 
 
 
 

 

欧美大地仪器

 

服务热线 : 400-700-9998

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