一文了解角度传感器

角度传感器，顾名思义，是用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0，如果需要，你可以用编程把它重新复位。

概述

当在机器人身上连接上轮子（或通过齿轮传动来移动机器人）时，可以依据旋转的角度和轮子圆周数来推断机器人移动的距离。然后就可以把距离转换成速度，你也可以用它除以所用时间。

实际上，计算距离的基本方程式为：

距离=速度×时间

由此可以得到：

速度=距离/时间

举例

如果把角度传感器连接到马达和轮子之间的任何一根传动轴上，必须将正确的传动比算入所读的数据。举一个有关计算的例子。在你的机器人身上，马达以3:1的传动比与主轮连接。角度传感器直接连接在马达上。所以它与主动轮的传动比也是3:1。也就是说，角度传感器转三周，主动轮转一周。角度传感器每旋转一周计16个单位，所以16*3=48个增量相当于主动轮旋转一周。我们需要知道齿轮的圆周来计算行进距离。幸运地是，每一个LEGO齿轮的轮胎上面都会标有自身的直径。我们选择了体积最大的有轴的轮子，直径是81.6CM(乐高使用的是公制单位)，因此它的周长是81.6×π=81.6×3.14≈256.22CM。

已知量都有了：齿轮的运行距离由48除角度所记录的增量然后再乘以256。我们总结一下。称R为角度传感器的分辨率（每旋转一周计数值），G是角度传感器和齿轮之间的传动比率。我们定义I为轮子旋转一周角度传感器的增量。

即：

I=G×R

在例子中，G为3，对于乐高角度传感器来说，R一直为16.因此，我们可以得到：

I=3×16=48

每旋转一次，齿轮所经过的距离正是它的周长C，应用这个方程式，利用其直径，你可以得出这个结论。

C=D×π

在我们的例子中：

C=81.6×3.14=256.22

最后一步是将传感器所记录的数据-S转换成轮子运动的距离-T，使用下面等式：

T=S×C/I

如果光电传感器读取的数值为296，你可以计算出相应的距离：

T=296×256.22/48=1580距离（T）的单位与轮子直径单位是相同的.

无接触角度传感器

无触点角度传感器，又称无接触电位器，广泛应用于工业自动化设备、工程机械、纺织机械、造纸印刷机械、石化设备、国防工业等自动控制设备的水平和旋转角度的测量，也适用于拉丝机等作张力传感器。

方位角度传感器

方位角又称地平经度，是在平面上量度物体之间的角度差的方法之一。传感器测量方位角是从某点的指北方向线起，依顺时针方向到目标方向线之间的水平夹角，是一种两面角，即午圈所在的平面与通过天体所在的地平经圈平面的夹角，以午圈所在的平面为起始面，按顺时针方向度量。方位的度量亦可在地平圈上进行，以南点为起算点，由南点开始按顺时针方向计量。方位的大小变化范围为0°～360°，南点为0°，西点为90°，北点为180°，东点为270°。上述这种方位度量是在天文学中所用的方法。

方位角传感器在跟随着军事技术的发展，有着高科技作战的性能。传感器测试系统的信息化是实现中国军队装备现代化建设主要途径，当务之急应该用高新技术提升老装备的性能。这既是提升现有武器装备的一个重要环节，又是最大限度地发挥现有装备整体作战效能的一个重要因素。我国现役的炮塔方位角系统中．老型号较多，大部分没有配备自动检测和录取设备。炮塔方位角系统的各种参数的计算、数据的处理和上报大多数由人工进行，难以胜任复杂环境下快速、准确采集。为适应现代化炮塔方位角系统的要求，必须具有一套自动采集和分析能力的完整测试系统。

应用领域

在程序不仅仅会用到乘法和除法的数学运算，还有更多的需要多留心（有关内容我们将在第12章进行进一步的讨论）。

使用角度传感器来控制你的轮子可以间接的发现障碍物。原理非常简单：如果马达

运转，而齿轮不转，说明你的机器已经被障碍物给挡住了。此技术使用起来非常简单，而且非常有效；唯一要求就是运动的轮子不能在地板上打滑（或者说打滑次数太多），否则你将无法检测到障碍物。

如果是一个空转的齿轮连接到马达上就可以避免这个问题，这个轮子不是由马达驱动而是通过装置的运动带动它：在驱动轮旋转的过程中，如果惰轮停止了，说明你碰到障碍物了。

在许多情况下角度传感器是非常有用的：控制手臂，头部和其它可移动部位的位置。值的注意的是，当运行速度太慢或太快时，RCX在精确的检测和计数方面会受到影响。事实上，问题并不是出在RCX身上，而是它的操作系统，如果速度超出了其指定范围，RCX就会丢失一些数据。Steve Baker用实验证明过，转速在每分钟50到300转之间是一个比较合适的范围，在此之内不会有数据丢失的问题。然而，在低于12rpm或超过1400rpm的范围内，就会有部分数据出现丢失的问题。而在12rpm至50rpm或者300rpm至1400rpm的范围内时，RCX也偶会出现数据丢失的问题。

大家熟知的火炮是利用火药燃气压力等能源抛射弹丸，口径等于和大于20毫米的身管射击武器。火炮通常由炮身和炮架两大部分组成。早在1332年，中国的元朝就在部队中装备了最早的金属身管火炮：青铜火铳。火炮通常由炮身和炮架两大部分组成。火炮射击时对炮床倾角的要求很高，利用角度传感器设计的数字式象限仪，可明显提高校正炮床的速度，降低操作难度。

角度传感器是作为炮弹发射的准确性，稳定性提供最大的帮助。大家都知道火炮身管用来赋予弹丸初速和飞行方向，炮尾用来装填炮弹，炮闩用以关闭炮膛，击发炮弹。如今炮架由反后坐装置、方向机、高低机、瞄准装置、大架和运动体，角度传感器等组成，而反后坐装置用以保证火炮发射炮弹后的复位，方向机和高低机用来保证火炮发射炮弹后复位，方向机和高低机用来操纵炮身变换方向和高低，瞄准装置由角度传感器，瞄准具和瞄准镜组成，用以装定火炮射击数据，实施瞄准射击，大架和运动体用于射击时支撑火炮，行军时作为炮车。

应用场合

系列倾角，角度传感器，距离传感器，加速度传感器，以及测量方位用的数字罗盘，电子罗盘和陀螺仪已经广泛的应用应用于石油，煤炭，钢铁，船舶，隧道，医疗设备，大坝，机械，物探仪器，地质，岩土，石油，矿山，管道，测斜导管，铁路、港口、水利、高层建筑，墙洞，矿井、隧道、船坞、抗滑桩和板桩，煤矿，动态冲击实验，地质，卫星GPS系统，风水，越野车，航海，实验仪器，数字水平仪，医疗，机械调平，角度测量和监视，汽车，起重机械运动检测，康复系统，生物工程系统，虚拟现实、现实放大，体育，惯性导航系统，人体姿态测量工业机械，摩托车陀螺仪，光纤，制导，平衡，导向，方向测量，动态跟踪，捷联，惯性，导航，方位角，角速度，速率，机械，爆转，测量等行业。

典型应用场合

地理:山体滑坡，雪崩.

民用:大坝，建筑，桥梁，玩具，报警，运输

工业：吊车，吊架，收割机，起重机，称重系统的倾斜补偿，沥青机．铺路机等。

火车：高速列车转向架和客车车厢的倾斜测量

海事：纵倾和横滚控制，油轮控制，天线位置控制。

钻井：精确钻井倾斜控制。

机械：倾斜控制，大型机械对准控制，弯曲控制，起重机

军用：火炮和雷达调整，初始位置控制，导航系统，军用着陆平台控制。

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倾角传感器的工作原理、分类及选型

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。

（更多结构健康自动化监测的内容及解决方案，可直接访问深圳安锐科技有限公司官网.）

06

关于我们

http: //www.aiterich.com

安锐科技专注于物联网技术在结构监测领域的研究与应用。经过多年的积累沉淀，形成了由新型传感器+边缘计算网关+平台软件组成的可实现联动控制的物联网监测闭环技术平台。深厚的行业技术沉淀、体系化的自主知识产权和对市场需求的准确洞察力，成为安锐科技持续创新的基础。

通过多年的潜心持续研发，掌握了云平台、边缘网关、新型传感器三位一体的监测核心技术。能够以平台级的技术，提供结构监测整体解决方案，满足高度碎片化、定制化的项目需求。

通过与众多知名高校、央企合作，承担多个国内外科研课题研究及项目实施，实现了监测新技术从创意、样品到产品的市场转化及应用。

目前安锐科技的产品广泛应用于铁路、公路、水利、核电、矿山、能源、地质灾害、危房建筑、文物保护、大型机械等结构监测及控制领域。

2018年中国招商局集团对安锐科技进行了的A轮资本投资，成为安锐科技的第二大股东。

安锐科技，锐意物联，让结构更安全！

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