探析倾角传感器的原理及应用场合

“倾角传感器”顾名思义，就是测量倾斜角度的一种角度传感器。倾角传感器应用场所极多，随着MEMS技术的发展，倾角传感器得到越来越广泛的应用。适合应用于工厂、山体、铁路、隧道、船业、机械、建筑业、医疗事业、桥梁铺设、水坝建设、汽车行业、核工业和航空航天事业等。

倾角传感器原理简介

本质上，倾角传感器要测量加速度，特别是重力加速度，因此其内部集成了加速度传感芯片。

该传感芯片由一个MEMS传感部件以及外围信号处理电路组成。MEMS传感部件示意图如下：

MEMS传感部件中的蓝色部分是可移动的，而红色部分是固定的。在加速或减速时，蓝色部分将向左或向右移动，蓝色和红色部分之间的电容则随之改变。通过测量电容C1和C2即可确定加速度。如下图所示：

也就是说，在被测物倾斜时会产生的加速或减速，令MEMS传感部件中可移动部分向一侧移动，图示如下：

从该原理中可以看到，在测量过程中MEMS传感部件对震动会很敏感，被测物体的震动会影响测量结果。所以必须加入滤波器，消除一定频率之外的干扰。

下面我就盘点一下倾角传感器的应用场合。

1. 倾角传感器应用—轨检仪，用于实时检测铁道的倾斜度和高度差。

2. 倾角传感器应用—基槽清平机，用于地基基槽和农田地面平整。对平整度进行监测和控制。

3. 倾角传感器应用—水田平地机，用于南方水田土壤平整，水田精细平整技术是在水稻生产过程中节约灌溉用水、提高肥料利用率、抑制杂草生长，提高水稻产量、减少生产成本的重要措施。

4. 倾角传感器应用—车载光电跟踪设备上，在光电跟踪设备基座上安装双轴倾角传感器，实时监测基座的水平度，保证车载光电跟踪设备高精度工作。

5. 倾角传感器应用—城市管道机器人；

6. 倾角传感器应用—船舶气囊下水过程中；

7. 倾角传感器应用—船载水平平台上，用于船载卫星跟踪天线的底座，以保持天线始终处于水平状态，对平台进行实时控制，可以隔离船体的俯仰和横滚运动，使平台处于水平；

8. 倾角传感器应用—大型光电设备基准平面自动调平系统上，由安装在基座上的倾角传感器检测基准平面的倾角大小及方向，将此角度根据调平算法换算为若干个机械支腿的伸长量，驱动机械支腿伸长使基准平面达到水平；

9. 倾角传感器应用—大型铺管船吊钩摆动进行监测和调整；

10 倾角传感器应用—陆地大型吊车上；

11. 倾角传感器应用—电视塔；

12. 倾角传感器应用—潜艇上水平台校准上，罗经、计程仪都对水平度要求很高，便携式水平校准仪；

13. 倾角传感器应用—电动车跷跷板上；

14. 倾角传感器应用—飞艇姿态控制上，用于深林火灾监测，确保红外线成像及其他精密仪器采集数据的准确性；

15. 倾角传感器应用—无人机上，实时获取无人接姿态信息，确保安全准确飞行；

16. 倾角传感器应用—测斜仪上；

17. 倾角传感器应用—山体滑坡监测上；

18. 倾角传感器应用—水平校正仪；

19. 倾角传感器应用—火炮上，火炮射击时对炮床倾角的要求很高，利用传感器设计的数字式象限仪，可明显提高规正炮床的速度，降低操作难度；

20. 倾角传感器应用—火炮野外作业时调平系统上；

21. 倾角传感器应用—卫星姿态控制上；

22. 倾角传感器应用—顶桥施工上；

23. 倾角传感器应用—人体上肢动作输入设备上；

24. 倾角传感器应用—工厂，工厂中很多地方都能用到倾角传感器，如：钢铁工厂里铸造的铁皮表面的平滑度以及工厂烟筒的倾斜度等；

25. 倾角传感器应用—山体，可以用来检测山体的倾斜角度、山体滑坡等自然灾害的发生；

26. 倾角传感器应用—铁路，铁路行业可以用来测量铁轨的平滑度、高速列车车体倾斜度的测量以及铁轨旁的信号塔的倾斜角度；

27. 倾角传感器应用—隧道，可以在隧道建设中测量隧道的水平度等；

28. 倾角传感器应用—船舶业，船舶业上一般使用倾角传感器来检测船体本身在运行过程中的倾斜情况，防止由于倾斜度过大而导致翻船现象；

29. 倾角传感器应用—机械安装，用于大理石平台水平的调整、零位的校准、机床的调平等；

30. 倾角传感器应用—建筑业，建筑业对水平和垂直的要求比较高，所以在建筑业倾角传感器使用的空间很大，使用的地方也比较多，但目前的使用量较少，有待进一步市场的开发；

31. 倾角传感器应用—医疗事业，普遍应用在医疗器械和人体检测等方面；

32. 倾角传感器应用—桥梁铺设，主要用于桥梁的设计和建设；

33. 倾角传感器应用—水坝建设，在水坝建设中用于水坝的监测，实时监测水坝的位移和水坝收冲击之后微小倾斜的角度；

34. 倾角传感器应用—汽车行业，可用于汽车的四个轮轮胎的定位以及防盗系统，也可用于各种通讯车和工程车倾斜角度的监测，甚至是车载的天线定位以及地面的导航系统；

35 倾角传感器应用—核工业和航天事业，可以应用在探测卫星中，实时体统探测卫星本体倾斜的角度和运行的状况。

疑问解答

1. 名词解释

补偿交叉灵敏度：仅用于双轴型倾角传感器。一般情况下，一个轴的倾斜会影响另外一个轴。该补偿能够尽可能的减小这种影响。

振动抑制特性：用于设置滤波器。通过设置，能够消除振动带来的负面影响，获得稳定的信号输出。

温度系数：倾角传感器会受温度影响，随着温度的升高输出信号会变差。

轴指定：对于TMS/TMM88模拟量，有两个通道：A通道和B通道。默认情况下，A通道指定对应X轴，B通道指定对应Y轴。这种对应关系可以通过编程器进行编程改变。

2.为什么具有塑料和铝合金金属两种外壳？

分别应用于不同的环境里。对于室内和工厂内的应用，一般使用塑料外壳，性价比高。对于室外的应用，特别是野外靠近植物的场景（例如割草机），一般使用金属外壳，因为植物分泌的酸性物质会腐蚀塑料外壳。但是，在有水泥粉尘的环境里，一般使用塑料外壳。

3. 为什么有IP65和IP67两种防护等级？

两种防护的意义不同，相互独立。IP65表示：任何角度水的低压喷射；IP67表示：短时间内耐浸泡。

4. 什么是可配置的数字滤波器？

滤波器有两种：巴特沃茨（Butterworth）滤波器和临界阻尼滤波器（Critically damped）。巴特沃茨更适用于测量非移动的、振动较强的物体，例如大型钻井台；临界阻尼滤波器更适合用于测量移动的物体，例如工程车辆、农业车辆等。目前市面上绝大多数的倾角传感器仅配备了巴特沃茨滤波器，甚至不配备任何滤波器；而东方微电的倾角传感器同时配备两种以供客户选择。