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?測斜儀是通過測量測斜管軸線與鉛錘線之間的夾角變化量,來監測土、巖石和建筑物的側向(水平)位移和豎向(垂直)位移的高精度儀器。測斜儀有活動型和固定型兩種。
測斜類儀器中英文表述辨析
Clinometer
Inclinometer
Tiltmeter
傾斜計
測斜儀
傾角計
都是指用來測量相對于垂直重力矢量的旋轉角度的慣性參考裝置,垂直重力矢量是所有外部參考系中較穩定的。
對測斜類產品來說,“測斜儀”更偏重定性且分辨力較低;“傾角計”更偏重定量且分辨力較高。
“儀”
“計”
儀是指測量和記錄觀察量現時值的可視裝置和設備。例如:氣體報警儀、成分分析儀、應變儀、校驗儀等。
能夠直接觀察到讀數和狀態。
計是指表示被分析物的信號ZH已經被直接轉化成了電信號且不可觀察到測量值的工作裝置。另外一般認為比較小的儀器用計表示,如溫度計、pH計等。
以Jewell品牌為例,Jewell測斜類儀器的精度和分辨力均能達到很高的水平,因此在產品資料的翻譯中均選擇了“傾角計”這一名稱。但實際上,我們把精度高的傳感器稱為“tiltmeter”, 把通用900系列產品稱為“clinometer”。
01
傾斜測量概述
傾角的定義 …
直線或平面與水平線或水平面所成的角,或者一直線與其在平面上的射影所成的角等,都叫傾角。
傾斜測量的定義 …
直接法測量:在一個測點上直接測量偏離基準面(或基準線) 的夾角,所采用儀器稱傾角計(傾斜儀)。傾角計的種類很多,可分為兩類,一類是以液體水平面為測量基準面,另一類是以鉛垂線為測量基準線。
傾角與方位角辨析 …
為了確定多自由度剛體(飛機、宇宙飛船、衛星、火箭以及等)的運動狀態,理論上一般根據參考系和旋轉軸的不同分為三個角度描述轉動:章動角、進動角和自轉角。而在工程實際分析和測量飛行器運動時,一般稱為方位角、俯仰角和翻滾角。
方位角
俯仰角
翻滾角
方位角、俯仰角和翻滾角的精確動態測量對于實現飛行器姿態監測、調節和控制具有非常重要的意義。
02
角度計量單位
角度制 …
用度(°)、分(′)、秒(″)來測量角的大小的制度叫做角度制。
規定周角的360分之一為1度的角,用度作為單位來度量角的單位制叫做角度制。注意“度”是單位,而非“1度”,因為單位的定義是計量事物標準量的名稱。1度=60角分=3600角秒。
弧度制 …
用弧長與半徑之比度量對應圓心角角度的方式,叫做弧度制,用符號rad表示,讀作弧度。
1弧度等于半徑長的圓弧所對的圓心角。由于圓弧長短與圓半徑之比,不因為圓的大小而改變,所以弧度數也是一個與圓的半徑無關的量。角度以弧度給出時,通常不寫弧度單位。1弧度= 57.296角度。
03
傾角傳感器測量原理
測斜類儀器的傳感器型式有很多種,如伺服加速度計式、電阻應變片式、電位器式、振弦式、電感式、差動變壓器式等等。
為了后續討論的方便,現依據目前市場上廣泛使用的主流分類方式將其細分為以下三種類型:
電解液式傾角傳感器
結構組成:
電解液式傾角傳感器應用了液體擺原理,其作為傳感元件,本質上是電子水準儀(電子水平儀)。由一個裝有電解液的玻璃瓶和三個與電解液接觸的電極組成(2個激勵電極+1個拾取電極)。
測量原理:
懸浮在裝有電解液的容器中的氣泡始終被重力矢量垂直平分。傳感器傾斜時,小瓶圍繞氣泡運動,交替覆蓋和暴露兩個激勵電極。在激勵電極上施加恒定交流電壓時,在ZX拾取電極處測量的交流輸出與傾角呈線性比例變化。換言之,傳感器的作用相當于交流可變電阻(電位計)。在經過適當的信號調理后就能夠得到傾角的測量值。
MEMS(微機電系統)傾角傳感器
MEMS傾角傳感器通過內置的加速度傳感芯片實現對目標物體傾角的非接觸式測量。加速度傳感芯片由MEMS傳感部件和信號處理電路組成,MEMS傳感部件如左圖所示。
圖中藍色部分可移動,紅色部分固定。當被測物傾斜時會產生加速或減速,使得藍色部分移動并導致紅藍之間電容發生變化,通過測量電容C1及C2即可確定加速度(如下圖所示)。
力平衡式傾角傳感器
是一種力反饋伺服平衡測量裝置,通常由非接觸位移傳感器、力矩馬達、誤差和放大電路、反饋電路、懸臂質量塊五部分組成。
應用固體擺原理,懸臂質量塊與力矩馬達的電樞連接在一起。非接觸位移傳感器用于檢測質量塊的位移量和方向。當整個傳感器發生傾斜時,懸臂質量塊便離開原來的平衡位置,非接觸位移傳感器檢測出該變化后,將位置信號送入誤差和放大電路,一方面傳感器輸出與傾角成一定比例的模擬信號;
另一方面,該信號經反饋電路送入力矩馬達的線圈,此時,力矩馬達會產生一個與懸臂質量塊運動方向相反、大小相等的力矩,力圖使懸臂質量塊回到原來的平衡位置。這樣經過一定的時間后,懸臂質量塊就停留在一個新的平衡位置上,這時,傳感器輸出的信號才是真正有效的信號。該輸出信號一般為直流電壓信號,也可內置V/I轉換,輸出4~20mA信號。但無論是輸出電壓或者電流信號,都與用度來表示的角度值成正弦關系。也就是說,要直接以度、分、秒為計量單位來表示角度值時,必須將傳感器輸出的電壓或電流信號進行反正弦運算。
04
傾角傳感器性能的關鍵參數
深入了解產品的關鍵參數,能夠更加準確的判斷產品適配度。在測量及數據采集過程中能夠判斷相關數字特征、解決實際問題。
靜態特性
傳感器靜態校準曲線(實際曲線)是在靜態標準條件下測定的。利用一定精度等級的校準設備,對傳感器進行往復循環測試,即可得到輸出-輸入數據。將這些數據取平均,即為傳感器的靜態校準曲線。
靜態特性指標
線性度
靈敏度
精確度/精度
分辨力
遲滯
重復性
穩定性
漂移
標度變換率
在規定的條件下,傳感器靜態校準曲線(實際曲線)與擬合直線間ZD偏差與滿量程輸出值的百分比稱為線性度。
傳感器的靈敏度是指到達穩定工作狀態時,輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比。
線性傳感器
非線性傳感器
精度
精密度δ:說明傳感器測量結果的分散程度,是隨機誤差大小的標志,精密度高,意味著隨機誤差小。注意:精密度高不一定正確度高。
準確度ε:說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。正確度是系統誤差大小的標志,準確度高意味著系統誤差小。同樣,正確度高不一定精密度高。
精度:是精密度與正確度兩者的總和,準確度高表示精密度和正確度都比較高。在Z簡單的情況下,可取兩者的代數和。
精確等級A:在工程應用中,為了簡單表示測量結果的可靠程度。
總結:
精密度:分散性,衡量隨機誤差;
準確度:與真值偏離度,衡量系統誤差;
精度:綜合優良程度。
分辨力是指傳感器能檢測到的Z小的輸入增量。有些傳感器,當輸入量連續變化時,輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個“階梯”所代表的輸入量的大小。
表征測量系統在全量程范圍內,輸入量由小到大(正行程)與由大到小(反行程)標定曲線不重合的程度。亦稱滯后、回程誤差、回差或變差。
是指傳感器輸入量按同一方向在全測量范圍內作多次測量時,輸出特性不一致的程度。
表示傳感器在較長時間內保持其性能參數的能力,故又稱長期穩定性。
傳感器在輸入量不變的情況下,輸出量隨時間變化的現象。
時間漂移:是指在規定的條件下,零點或靈敏度隨時間的緩慢變化;
溫度漂移:為環境溫度變化而引起的零點或靈敏度漂移。
將對應參數值的大小轉換成能直接顯示有量綱的被測工程量數值,也稱為工程轉換。
05
傳感器選用原則
# 原則 1
# 原則 2
當測試系統有許多環節組成時,該系統各環節的精度應是同一等級的。
注意事項
1.靈敏度的選擇:
一般來說,傳感器靈敏度越高越好,但在確定靈敏度時,要考慮以下幾個問題:
2.線性范圍的選擇:
傳感器在線性范圍內輸出與輸入成比例關系,線性范圍愈寬,則傳感器工作量程愈大。
3.測量方式的選擇:
傳感器工作方式,也是選擇傳感器時應考慮的重要因素。例如,接觸與非接觸測量、破壞與非破壞性測量、在線與非在線測量等。
傾角傳感器
Jewell
Jewell Instruments
Jewell Instruments是加速度傳感器和傾斜傳感器以及電子羅盤,航空電子元件,螺線管和面板儀表的制造和銷售廠商。為航空航天,YL,工業,電信等眾多行業提供定制解決方案。其主要產品為高質量傳感器(包括加速度計和傾角計),在航空電子組件的增值領域已經成為標準設計和定制設計的主要廠商。
歐美大地目前代理Jewell產品9類(500系列、600系列、700系列、750系列、800系列、850系列、900系列、微型傾角傳感器、信號調理板),51+1(DXI-100/200)種產品。涵蓋了目前主流的所有三種(電解液、力平衡、MEMS)傾角傳感器類型。
#500系列
鉆孔測斜儀是Jewell公司30多年傾角傳感器經驗和專業技能的完滿之作,代表了精密傳感器制造工程的高峰。應用包括火山和地殼構造的研究、水力壓裂裂縫測繪、微變形監測、深海地球物理勘探等。
# 600系列
600系列電解液傾角計具有超高的分辨力,且幾乎沒有長期漂移,輸出為穩定的±8V 直流電壓(±16V 差分)。堅固、可靠、極其精確,是火山監測、高精度巖土工程、橋梁撓度監測、精密計量、雷達平臺調平和高準確度傾角監測等應用的優選。
# 700系列
700系列電解液傾角計均為平臺安裝或底板安裝形式,便于安裝在水平表面上,其中A716-2型是特別設計安裝于墻面的型號。另外,700系列中還有D711、A711的廣角型,適用于在傾角變化幅度大的測量領域內應用。
# 750系列
750系列(黑鉆)力平衡式傾角計均配備有精密液體阻尼,因而其在高沖擊和振動環境中具有優越的噪聲YZ能力和出色的輸出穩定性。750系列(黑鉆)的輸入范圍、濾波器和溫度補償均可按照用戶的要求進行定制。
# 800系列
800系列電解液式傾角計分為土木工程傾角計和潛水傾角計兩種類型。其中潛水傾角計能夠根據具體的測量環境選擇深水型和淺水型。深水型傾角計的額定防水等級為2500米;淺水型傾角計的額定防水等級為200米。
# 850系列
850系列MEMS(微電子系統)式傾角計是Jewell基于較低成本的MEMS技術而為工業應用提供的一種實用的設計方案,分為850和875兩類。其中850型外殼堅固,用戶能夠靈活選擇單雙軸/電源輸入以及進行溫度傳感器選購。875型則集高精度與耐用性于一身,體積小巧、經濟實用,具有較高的測量精度。
# 900系列
900系列電解液式傾角計體積小巧,集成化程度高,非常適合OEM應用。主要包含集成傾角計、原位測斜儀和傾角開關/控制器三類產品。900型小尺寸和高精度的特點使它成為許多測量和控制應用的通用選擇。
# 微型傾角傳感器
Jewell微型電解液式傾角傳感器針對不同的測量量程及分辨力要求分為高增益型、中量程型和廣角型三類。高增益型和中量程型的分辨率均達到微弧度數量級,而廣角型則主要針對寬動態范圍的測量環境。其中755/756型還有專門針對真空測量環境的配置。
如果您對傾角傳感器感興趣,或者有任何關于傾角傳感器的選型、使用等問題,都可以聯系歐美大地。我們有經驗豐富的工程師,幫您解答疑惑。
歐美大地儀器
服務熱線 : 400-700-9998
抖音號:@歐美大地儀器
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