倾斜振动监测仪器倾角加速度计

倾斜振动监测在地质灾害监测领域中需要用到一种专业的监测仪器：无线倾角加速度计。一种集无线通信、数据采集、自我供电防护于一体的三轴倾角振动传感器，主要功能就是对建筑物和大型结构物进行倾斜和振动的监测。

倾斜和振动原本是两个不同的监测属性，可以用两种不同的仪器来监测，但是无线倾角加速度计可以同时监测倾斜和振动。而且因为三轴的无线倾角加速度计对于物体发生运动时的反应十分灵敏，所以在针对一些肉眼无法察觉到的倾斜和振动变化时，优势就会很明显。能够精确的抓住每一次细微的运动变化轨迹，并且分析数据，转换得到可视化的倾斜振动数据。

以两轮平衡小车为例，当检测到倾角存在时要控制小车以一定的加速度运动，才能维持平衡而不至于倒下。因此倾角的测量成为控制小车直立的关键。而在实际小车运动过程中，由于小车本身的运动所产生的加速度会产生很大的干扰信号叠加在上述测量信号上，使得输出信号无法准确反映车模的倾角。

小车运动产生的加速度使得输出电压在实际倾角电压附近波动，虽然可以通过数据平滑滤波将其滤除。但是平滑滤波也会使得信号无法实时反映小车倾角的变化，从而减慢对于车轮的控制，使得小车无法保持平衡，这种情况就需要结合使用陀螺仪来测量。而在其他要求不高的情况下则可以对原始加速度信号进行处理，移除信号中的高频成分，因此一定程度的交流分量也是可以接受的。

使用3轴数据计算倾角
　　假设传感器的X轴与水平面xy之间的夹角为α（称为俯仰角，pitch），Y轴与水平面间的夹角为β（称为滚转角，roll），Z轴与重力方向夹角为γ。

重力加速度在XYZ三个轴上的投影即为三个轴传感器的读数，因此可计算出

根据三个轴加速度的矢量和等于重力加速度，即：

可以推导出计算三个角度的另一种表达式：

无线低功耗倾角计又名无线倾角仪，4G倾角计（内置4G信号传输），无线倾角传感器等。倾角仪分为三类：液体摆无线倾角计，固体摆无线倾角计，气体摆无线倾角计。这是按照三种不同的工作原理来分。本文将简单介绍这三种类型的倾角计的工作原理。

1. 液体摆无线倾角计

液体摆倾角计的结构是在玻璃壳内装有导电液，并用三根铂电极和外部进行连接，三根电极互相平行且具有相同的间距。在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。在实用中除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆”。

2. 固体摆无线倾角计

固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，其由摆锤、摆线、支架组成，其中，摆锤受重力G和摆拉力T的作用，其合外力F =G sinθ=mg sinθ，θ为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时，可以认为F与θ成线性关系。如应变式倾角传感器就基于此原理。

3. 气体摆无线倾角计

气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一样，热气流总是力图保持在铅垂方向上，因此也具有摆的特性。“气体摆”式惯性元件由密闭腔体、气体和热线组成。当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体受到加速度的作用时，热线的阻值发生变化，并且热线阻值的变化是角度q或加速度的函数，因而也具有摆的效应。其中热线阻值的变化是气体与热线之间的能量交换引起的。

以上就是对三种无线倾角计工作原理的简单介绍，知道了工作原理之后，我们需要了解无线倾角计的用途，倾角计是用来对各种建筑物做倾斜监测的，基本都能实现高精度的监测数据获取。比如ZDHD-ZWQJ款无线低功耗倾角计，出自中地恒达，能在-40—85℃的宽温环境中保持较高的测量精度、并且超低功耗和响应速度快，非常适合长期的野外监测工作。无需人工值守。

三轴倾角加速度计又名三轴加速度传感器，市面上也叫无线倾角加速度计，产品名称很多，但是其结构原理都是一样的。倾角加速度计原理是通过测量给定直线轴向的弹簧上的力来检测直线加速度和重力矢量。加速度计是一种出现在大批量应用中的MEMS传感器。因为其对运动十分敏感的特性，现在在工程监测上用的较多。

对于多数的传感器应用来看，两轴的倾角加速度计已经能满足多数应用，但是有些方面的应用还是集中在三轴加速度传感器中例如在数采设备，贵重资产监测，碰撞监测，测量建筑物振动,风机,风力涡轮机和其他敏感的大型结构振动。

目前的三轴倾角加速度计大多采用压电式、压阻式和电容式三种工作原理，产生的加速度于电阻、电压和电容的变化成正比，所以一定的技术上来讲三个单轴是可以变成一个三轴的。因为集成了三轴MEMS加速度传感器，磁偏角传感器、定位模块内部实时监测加速度和角度变化，可通过角度变化或加速度变化感知整体姿态变化。

在工程上应用最多的还是用于监测建筑物的振动和一些大型解结构物的振动。因为倾角加速度计对运动十分敏感，在监测应用上会更适合。工程上的监测需要高精度，所以对于一些微小的变化都要能捕捉记录。

无线倾角加速度计的特点是能够在预先不知道物体运动方向的场合下，准确且全面的测量出物体的空间加速度，并且体积小（100mm*100mm*60mm），质量轻。安装十分方便，并且一次可连续工作2年。铝合金的材质让其在野外安全性更好，不会轻易被恶劣天气所影响工作。