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歐美大地巖土工程監(jiān)測(cè)

巖土工程監(jiān)測(cè)

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關(guān)于傾角計(jì)，你想知道的都在這了！

發(fā)布時(shí)間：2020-09-15 瀏覽次數(shù)：58052 來(lái)源：歐美大地

測(cè)斜儀是通過(guò)測(cè)量測(cè)斜管軸線與鉛錘線之間的夾角變化量，來(lái)監(jiān)測(cè)土、巖石和建筑物的側(cè)向（水平）位移和豎向（垂直）位移的高精度儀器。測(cè)斜儀有活動(dòng)型和固定型兩種。

測(cè)斜類儀器中英文表述辨析

Clinometer	Inclinometer	Tiltmeter
傾斜計(jì)	測(cè)斜儀	傾角計(jì)
都是指用來(lái)測(cè)量相對(duì)于垂直重力矢量的旋轉(zhuǎn)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(wěn)定的。

對(duì)測(cè)斜類產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，“測(cè)斜儀”更偏重定性且分辨力較低；“傾角計(jì)”更偏重定量且分辨力較高。

“儀”	“計(jì)”
儀是指測(cè)量和記錄觀察量現(xiàn)時(shí)值的可視裝置和設(shè)備。例如：氣體報(bào)警儀、成分分析儀、應(yīng)變儀、校驗(yàn)儀等。能夠直接觀察到讀數(shù)和狀態(tài)。	計(jì)是指表示被分析物的信號(hào)最后已經(jīng)被直接轉(zhuǎn)化成了電信號(hào)且不可觀察到測(cè)量值的工作裝置。另外一般認(rèn)為比較小的儀器用計(jì)表示，如溫度計(jì)、pH計(jì)等。

以Jewell品牌為例，Jewell測(cè)斜類儀器的精度和分辨力均能達(dá)到很高的水平，因此在產(chǎn)品資料的翻譯中均選擇了“傾角計(jì)”這一名稱。但實(shí)際上，我們把精度高的傳感器稱為“tiltmeter”，把通用900系列產(chǎn)品稱為“clinometer”。

傾斜測(cè)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(cè)量的定義 …

直接法測(cè)量：在一個(gè)測(cè)點(diǎn)上直接測(cè)量偏離基準(zhǔn)面(或基準(zhǔn)線) 的夾角，所采用儀器稱傾角計(jì)（傾斜儀）。傾角計(jì)的種類很多，可分為兩類，一類是以液體水平面為測(cè)量基準(zhǔn)面，另一類是以鉛垂線為測(cè)量基準(zhǔn)線。

傾角與方位角辨析 …

為了確定多自由度剛體（飛機(jī)、宇宙飛船、衛(wèi)星、火箭以及導(dǎo)彈等）的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，理論上一般根據(jù)參考系和旋轉(zhuǎn)軸的不同分為三個(gè)角度描述轉(zhuǎn)動(dòng)：章動(dòng)角、進(jìn)動(dòng)角和自轉(zhuǎn)角。而在工程實(shí)際分析和測(cè)量飛行器運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)態(tài)測(cè)量對(duì)于實(shí)現(xiàn)飛行器姿態(tài)監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)和控制具有非常重要的意義。

角度計(jì)量單位

角度制 …

用度(°)、分(′)、秒(″)來(lái)測(cè)量角的大小的制度叫做角度制。

規(guī)定周角的360分之一為1度的角，用度作為單位來(lái)度量角的單位制叫做角度制。注意“度”是單位，而非“1度”，因?yàn)閱挝坏亩x是計(jì)量事物標(biāo)準(zhǔn)量的名稱。1度=60角分=3600角秒。

弧度制 …

用弧長(zhǎng)與半徑之比度量對(duì)應(yīng)圓心角角度的方式，叫做弧度制，用符號(hào)rad表示，讀作弧度。

1弧度等于半徑長(zhǎng)的圓弧所對(duì)的圓心角。由于圓弧長(zhǎng)短與圓半徑之比，不因?yàn)閳A的大小而改變，所以弧度數(shù)也是一個(gè)與圓的半徑無(wú)關(guān)的量。角度以弧度給出時(shí)，通常不寫弧度單位。1弧度= 57.296角度。

傾角傳感器測(cè)量原理

測(cè)斜類儀器的傳感器型式有很多種，如伺服加速度計(jì)式、電阻應(yīng)變片式、電位器式、振弦式、電感式、差動(dòng)變壓器式等等。

為了后續(xù)討論的方便，現(xiàn)依據(jù)目前市場(chǎng)上廣泛使用的主流分類方式將其細(xì)分為以下三種類型：

電解液式傾角傳感器；
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)）傾角傳感器；
力平衡式傾角傳感器。

電解液式傾角傳感器

結(jié)構(gòu)組成：

電解液式傾角傳感器應(yīng)用了液體擺原理，其作為傳感元件，本質(zhì)上是電子水準(zhǔn)儀（電子水平儀）。由一個(gè)裝有電解液的玻璃瓶和三個(gè)與電解液接觸的電極組成（2個(gè)激勵(lì)電極+1個(gè)拾取電極）。

測(cè)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(shí)，小瓶圍繞氣泡運(yùn)動(dòng)，交替覆蓋和暴露兩個(gè)激勵(lì)電極。在激勵(lì)電極上施加恒定交流電壓時(shí)，在中心拾取電極處測(cè)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(dāng)于交流可變電阻（電位計(jì)）。在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理后就能夠得到傾角的測(cè)量值。

MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）傾角傳感器

結(jié)構(gòu)組成：

MEMS傾角傳感器通過(guò)內(nèi)置的加速度傳感芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體傾角的非接觸式測(cè)量。加速度傳感芯片由MEMS傳感部件和信號(hào)處理電路組成，MEMS傳感部件如左圖所示。

測(cè)量原理：

圖中藍(lán)色部分可移動(dòng)，紅色部分固定。當(dāng)被測(cè)物傾斜時(shí)會(huì)產(chǎn)生加速或減速，使得藍(lán)色部分移動(dòng)并導(dǎo)致紅藍(lán)之間電容發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)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

結(jié)構(gòu)組成：

是一種力反饋伺服平衡測(cè)量裝置，通常由非接觸位移傳感器、力矩馬達(dá)、誤差和放大電路、反饋電路、懸臂質(zhì)量塊五部分組成。

結(jié)構(gòu)組成：

應(yīng)用固體擺原理，懸臂質(zhì)量塊與力矩馬達(dá)的電樞連接在一起。非接觸位移傳感器用于檢測(cè)質(zhì)量塊的位移量和方向。當(dāng)整個(gè)傳感器發(fā)生傾斜時(shí)，懸臂質(zhì)量塊便離開(kāi)原來(lái)的平衡位置，非接觸位移傳感器檢測(cè)出該變化后，將位置信號(hào)送入誤差和放大電路，一方面?zhèn)鞲衅鬏敵雠c傾角成一定比例的模擬信號(hào)；

另一方面，該信號(hào)經(jīng)反饋電路送入力矩馬達(dá)的線圈，此時(shí)，力矩馬達(dá)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與懸臂質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)方向相反、大小相等的力矩，力圖使懸臂質(zhì)量塊回到原來(lái)的平衡位置。這樣經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，懸臂質(zhì)量塊就停留在一個(gè)新的平衡位置上，這時(shí)，傳感器輸出的信號(hào)才是真正有效的信號(hào)。該輸出信號(hào)一般為直流電壓信號(hào)，也可內(nèi)置V/I轉(zhuǎn)換，輸出4~20mA信號(hào)。但無(wú)論是輸出電壓或者電流信號(hào)，都與用度來(lái)表示的角度值成正弦關(guān)系。也就是說(shuō)，要直接以度、分、秒為計(jì)量單位來(lái)表示角度值時(shí)，必須將傳感器輸出的電壓或電流信號(hào)進(jìn)行反正弦運(yùn)算。

傾角傳感器性能的關(guān)鍵參數(shù)

深入了解產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)，能夠更加準(zhǔn)確的判斷產(chǎn)品適配度。在測(cè)量及數(shù)據(jù)采集過(guò)程中能夠判斷相關(guān)數(shù)字特征、解決實(shí)際問(wèn)題。

靜態(tài)特性
傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)曲線(實(shí)際曲線)是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)定的。利用一定精度等級(jí)的校準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)傳感器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測(cè)試，即可得到輸出-輸入數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)取平均，即為傳感器的靜態(tài)校準(zhǔn)曲線。

靜態(tài)特性指標(biāo)
線性度	靈敏度	精確度/精度
分辨力	遲滯	重復(fù)性
穩(wěn)定性	漂移	標(biāo)度變換率

線性度

在規(guī)定的條件下，傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)曲線(實(shí)際曲線)與擬合直線間最大偏差與滿量程輸出值的百分比稱為線性度。

靈敏度

傳感器的靈敏度是指到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，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(shuō)明傳感器測(cè)量結(jié)果的分散程度，是隨機(jī)誤差大小的標(biāo)志，精密度高，意味著隨機(jī)誤差小。注意：精密度高不一定正確度高。

準(zhǔn)確度ε：說(shuō)明傳感器輸出值與真值的偏離程度。正確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志，準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)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(zhǔn)確度高表示精密度和正確度都比較高。在最簡(jiǎn)單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。

精確等級(jí)A：在工程應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)單表示測(cè)量結(jié)果的可靠程度。

總結(jié)：

精密度：分散性，衡量隨機(jī)誤差；

準(zhǔn)確度：與真值偏離度，衡量系統(tǒng)誤差；

精度：綜合優(yōu)良程度。

分辨力

分辨力是指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量。有些傳感器,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí),輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯”所代表的輸入量的大小。

遲滯

表征測(cè)量系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)，輸入量由小到大(正行程)與由大到小(反行程)標(biāo)定曲線不重合的程度。亦稱滯后、回程誤差、回差或變差。

重復(fù)性

是指?jìng)鞲衅鬏斎肓堪赐环较蛟谌珳y(cè)量范圍內(nèi)作多次測(cè)量時(shí)，輸出特性不一致的程度。

穩(wěn)定性

表示傳感器在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力，故又稱長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

漂移

傳感器在輸入量不變的情況下，輸出量隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。

時(shí)間漂移：是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化；

溫度漂移：為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度漂移。

標(biāo)度變換率

將對(duì)應(yīng)參數(shù)值的大小轉(zhuǎn)換成能直接顯示有量綱的被測(cè)工程量數(shù)值，也稱為工程轉(zhuǎn)換。

傳感器選用原則

# 原則 1

不應(yīng)盲目的采用超過(guò)測(cè)試目的所要求精度的儀器；

# 原則 2

當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)有許多環(huán)節(jié)組成時(shí)，該系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的精度應(yīng)是同一等級(jí)的。

注意事項(xiàng)

1.靈敏度的選擇：

一般來(lái)說(shuō)，傳感器靈敏度越高越好，但在確定靈敏度時(shí)，要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

量程范圍；
靈敏度過(guò)高引起的干擾問(wèn)題；
交叉靈敏度問(wèn)題#。

2.線性范圍的選擇：

傳感器在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則傳感器工作量程愈大。

3.測(cè)量方式的選擇：

傳感器工作方式，也是選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測(cè)量、破壞與非破壞性測(cè)量、在線與非在線測(cè)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，醫(yī)療，工業(yè)，電信等眾多行業(yè)提供定制解決方案。其主要產(chǎn)品為高質(zhì)量傳感器（包括加速度計(jì)和傾角計(jì)），在航空電子組件的增值領(lǐng)域已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和定制設(shè)計(jì)的主要廠商。

歐美大地目前代理Jewell產(chǎn)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(hào)調(diào)理板），51+1（DXI-100/200）種產(chǎn)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(cè)斜儀是Jewell公司30多年傾角傳感器經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)技能的完滿之作，代表了精密傳感器制造工程的高峰。應(yīng)用包括火山和地殼構(gòu)造的研究、水力壓裂裂縫測(cè)繪、微變形監(jiān)測(cè)、深海地球物理勘探等。

# 600系列

600系列電解液傾角計(jì)具有超高的分辨力，且?guī)缀鯖](méi)有長(zhǎng)期漂移，輸出為穩(wěn)定的±8V 直流電壓（±16V 差分）。堅(jiān)固、可靠、精確，是火山監(jiān)測(cè)、高精度巖土工程、橋梁撓度監(jiān)測(cè)、精密計(jì)量、雷達(dá)平臺(tái)調(diào)平和高準(zhǔn)確度傾角監(jiān)測(cè)等應(yīng)用的優(yōu)選。

# 700系列

700系列電解液傾角計(jì)均為平臺(tái)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(shè)計(jì)安裝于墻面的型號(hào)。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(cè)量領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。

# 750系列

750系列(黑鉆)力平衡式傾角計(jì)均配備有精密液體阻尼，因而其在高沖擊和振動(dòng)環(huán)境中具有優(yōu)越的噪聲抑制能力和出色的輸出穩(wěn)定性。750系列（黑鉆）的輸入范圍、濾波器和溫度補(bǔ)償均可按照用戶的要求進(jìn)行定制。

# 800系列

800系列電解液式傾角計(jì)分為土木工程傾角計(jì)和潛水傾角計(jì)兩種類型。其中潛水傾角計(jì)能夠根據(jù)具體的測(cè)量環(huán)境選擇深水型和淺水型。深水型傾角計(jì)的額定防水等級(jí)為2500米；淺水型傾角計(jì)的額定防水等級(jí)為200米。

# 850系列

850系列MEMS(微電子系統(tǒng))式傾角計(jì)是Jewell基于較低成本的MEMS技術(shù)而為工業(yè)應(yīng)用提供的一種實(shí)用的設(shè)計(jì)方案，分為850和875兩類。其中850型外殼堅(jiān)固，用戶能夠靈活選擇單雙軸/電源輸入以及進(jìn)行溫度傳感器選購(gòu)。875型則集高精度與耐用性于一身，體積小巧、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有較高的測(cè)量精度。

# 900系列

900系列電解液式傾角計(jì)體積小巧，集成化程度高，非常適合OEM應(yīng)用。主要包含集成傾角計(jì)、原位測(cè)斜儀和傾角開(kāi)關(guān)/控制器三類產(chǎn)品。900型小尺寸和高精度的特點(diǎn)使它成為許多測(cè)量和控制應(yīng)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(duì)不同的測(cè)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(dá)到微弧度數(shù)量級(jí)，而廣角型則主要針對(duì)寬動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量環(huán)境。其中755/756型還有專門針對(duì)真空測(cè)量環(huán)境的配置。