有线or无线倾角传感器的奥秘：工作原理深度剖析，分类大揭秘

前言

倾角传感器是一种用于测量物体相对平面倾斜角度的仪器。倾角传感器又称作倾角仪、倾斜仪、测斜仪、水平仪、倾角计，经常用于物体的水平角度变化的精确测量，用它可测量被测平面相对于水平位置的倾斜度、两部件相互平行度和垂直度；已成为桥梁架设、铁路铺设、土木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能平台、机械加工等领域不可缺少的重要测量仪器。

01 倾角传感器的工作原理

倾角传感器基于牛顿第二定律原理，通过测量重力加速度和物体相对于垂直方向的加速度，倾角传感器内的加速度计内部有多个微小的质量块。

当物体没有受到外力时，重力会使加速度计指向地球的重力方向。当物体发生倾斜时，加速度计会感应到重力分量的改变，通过计算和处理这些数据，倾角仪可以准确测量出物体的倾斜度。

如何把倾角的状态转化为可供识别的物理量？工程师利用倾角改变带来电容、电阻、电流及磁场改变的原理来测量倾斜角度。这类型的倾角传感器体积大、功耗高、精度低，且只能测量静态倾角。典型的电容倾角传感器的原理如图所示。

进入90年代以后，随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)和微加工技术的发展,基于MEMS技术的微型加速度传感器也随之迅速发展。MEMS加速度传感器具有成本低，体积小，重量轻、功耗低、精度高、抗过载冲击能力强等特点，便于大规模制造，一致性非常好。因此上市后迅速取代了传统的加速度传感器。对于MEMS加速度传感器，通常都是3轴的加速度传感器。因此利用重力加速度在三轴上的分量的比例关系，可以计算出三轴的倾斜角度。国内不少厂商根据此原理研究出适合各个行业应用的倾斜角度传感器，例如国内知名的深圳安锐科技有限公司的高精度倾角传感器，应用于我国“雪龙号”科考船等大型装备及建筑结构健康监测领域。

应用原理中，无线倾角传感器获取高精度 MEMS 传感器的角度值，通过网络信号把数值传输到平台，经过分析计算，测出被测物的相对角度变化或绝对角度变化。

MEMS倾角传感器的应用非常广泛，关于原理介绍的资料非常多，在此不再累述。

02 倾角传感器都有哪些类型

倾角传感器按照数据传输的方式可分为有线倾角传感器与无线倾角传感器两种类型。有线倾角传感器通常采用RS485总线来传输倾角信号。无线倾角传感器常见的有NB-IoT无线倾角传感器、LORO无线倾角传感器。

按照工作原理的不同，倾角传感器可以分为静态倾角传感器和动态倾角传感器。静态倾角传感器主要用于测量物体的静态倾斜角度，例如桥梁、危房、电力铁塔等结构物的倾斜监测。动态倾角传感器则适用于测量物体在动态环境中的倾斜角度，例如航空航天和汽车工业中的动态平衡控制。

此外，根据测量范围的不同，倾角传感器还可以分为单轴、双轴和三轴倾角传感器。单轴倾角传感器只能测量物体在一个平面上的倾斜角度，双轴倾角传感器可以同时测量物体在两个平面上的倾斜角度，而三轴倾角传感器可以同时测量三个维度的倾斜角度。

部分有实力的厂家还研发了集成多种传感器的复合传感器，例如安锐测控用于建筑结构健康监测的静力水准仪倾角仪，可以同时测量沉降和倾角及振动，在此基础上利用多传感器数据融合技术，研究出适合在振动环境中准确测量沉降+倾斜+振动的动力水准仪。另外高精度三维倾斜角度传感器通过三角函数换算为位移数据，便可升级为测量内部三维位移的节段式位移计。

03 倾角传感器的选型

在选择倾角传感器时，需要考虑测量范围、精度、供电方式、联网方式、工作环境和成本等因素。首先，根据测量范围确定传感器的测量范围。如果需要测量较大范围的倾斜角度，可以选择测量范围较大的传感器。其次，要考虑传感器的精度，即传感器输出数据的准确性。高精度的传感器可以提供更准确的倾斜角度数据。再者，要选择适合自己需求的输出方式，传感器的输出可以是模拟信号或数字信号。根据自己的需要选择合适的输出方式。此外，还要考虑传感器的工作环境，例如温度、湿度等，选择能够适应工作环境的传感器。最后，根据预算确定传感器的成本，选择性价比较高的倾角传感器。

随着现代社会的需求和技术的发展，深圳安锐科技已研发出集成数据感知、数据采集、无线传输、太阳能供电、低功耗休眠唤醒功能的高精度无线倾角仪，解决了现场没市电、没宽带、施工布线成本高等需求痛点。

04 有线倾角传感器与无线倾角传感器

▶ 关于有线倾角传感器

有线倾角传感器内置高性能MCU内置算法，通过较高的过采样率，提高数据的高频特性，通过数据滤波算法去掉不合理的偶发错误数据后，用卡尔曼滤波算法进行更高精度的数据处理。适用于监测频率要求很高的结构物变形监测领域，无线倾角仪也一样具有这些，再配合安锐测控云平台及物联网关轻松实现远程监测。

通常来说，建筑结构质量巨大，倾角的改变速率是比较微小，且有一个发展的过程。常规的结构健康监测的采样频率不高，一天一次即可满足要求。此种情况下，选择自带电池的无线倾角传感器最为合适，安装使用非常方便。如安锐测控的无线倾角传感器，设置为每天一次工作，可以工作4年以上，如果有太阳，还可以选择自带太阳能的无线倾角传感器，可以工作数十年。值得一提的是安锐测控的无线倾角传感器自带智能感知技术，如果遇到倾角变化超过预设值时，立即唤醒并上传数据，不会错过关键数据的采集和监测。

有些使用场景，如房屋监测，在现场基本都有220V市电，可以采用成本较低的有线倾角传感器。当然，对采集频率要求高的监测场景，选择有线倾角传感器是明智的选择。

▶ 关于无线倾角传感器

无线倾角传感器中的NB-IoT直连款与LORA组网款：

这两款的联网及数据传输方式不同，一台NBIOT的无线倾角传感器就是一个独立的网络点，直接将数据发送至安锐测控云平台，在安锐测控云平台中，这种设备定义为直连设备；而LORA版分为LORA主节点和LORA子节点，LORA主节点为多功能网关-LORA版和4G采集仪-LORA版两种设备，LORA子节点只有一种设备类型，子节点为低功耗型设备，主节点为非低功耗型设备。

应用范围也不同，NB-IoT的应用范围是单点布设。LORA应用于多点布设。且都是应用在被测物不易布线实施、测点相对较少且分散的场景。

例如隧道监测，在隧道中信号不稳定甚至是没有信号的，那么在这种情况下我们就可以选择LORA款无线倾角传感器，利用LORA子节点向主节点无线传输数据的优势，既把子节点布置在隧道内，而主节点安装在隧道外（隧道出口），以此主节点收到子节点的传输数据后，将数据传输到安锐测控云平台，即可解决无信号也能完成数据上传的困扰。

监测设备需根据具体应用场景而定，监测要求不同，那么需要配备的功能（性能）则不同，配置越高价格自然就越贵，安锐测控的无线倾角是三轴的且价格中等偏下。

05 倾角传感器的应用场景

▶ 有线倾角传感器可广泛应用于房屋危房、桥梁、大坝、盾构顶管、轨道交通、高层建筑、边坡监测等场景。

▶ 无线倾角传感器可广泛应用在桥梁建筑物、输电塔/信号塔倾斜、危房、古建筑、仓库货架、智慧小镇、智慧灯塔、风机塔筒倾斜监测等场景。