Датчик наклона википедия

Модуль, который позволяет фиксировать вибрацию и смену положения своего чувствительного элемента в пространстве.

Датчик наклона – это прецизионное механическое или электрическое измерительное устройство, которое устанавливает точную привязку к перпендикулярному направлению для инструмента или транспортного средства или отслеживает изменения угла наклона .

Датчики, подходящие для геодезии, были разработаны в 1970-х годах и первоначально назывались наклона или высоты или электронным уровнем .

Некоторые высокочувствительные электронные датчики инклинометра могут достигать разрешения до 0,0001 °; в зависимости от технологии и диапазона углов он может быть ограничен 0,01 °. Однако истинная или абсолютная точность датчика инклинометра (которая представляет собой совокупную общую погрешность) представляет собой комбинацию начальных наборов смещения нуля датчика и чувствительности, линейности датчика, гистерезиса, повторяемости и температурных дрейфов нуля и чувствительности – точности электронных инклинометров. обычно может находиться в диапазоне ± 0,01–2 ° в зависимости от датчика и ситуации. Обычно в условиях комнатной температуры точность ограничивается характеристиками линейности датчика.

Промышленные датчики обычно имеют более низкую точность, но большие диапазоны измерения и температуры, чем геодезические датчики. Типичный являются 15 ° до 60 ° диапазонов измерения с точностью в на мил диапазоне (то есть несколько 0,01 ° угла ошибок) и применение диапазоны от -30 до + 70 ° С

Спектр применения варьируется от защиты от , например, на экскаваторах и кранах, до мониторинга машин и промышленных роботов . При меньшем диапазоне измерения (несколько градусов) может быть достигнута точность от 5 до 10 дюймов. Датчики обычно передают данные измерений в электронном виде в виде уровня напряжения или через токовый интерфейс . Также широко распространены цифровые передачи, например, в последовательном формате RS232 или по протоколу Controller Area Network . Стандартизированный профиль CANopen (CiA 410) существует для использования в технологии промышленной автоматизации .

Измерение расстояния через ручей

Переносные клинометры используются для множества геодезических и измерительных задач. При топографической съемке и картировании клинометр может обеспечить быстрое измерение наклона географического объекта или использоваться для съемки пещер . При разведке полезных ископаемых клинометры используются для измерения простирания и падения геологических формаций. В лесном хозяйстве измерение высоты деревьев может быть выполнено с помощью клинометра с использованием стандартных методов, включая триангуляцию . Основные артиллерийские орудия могут иметь связанный клинометр, используемый для облегчения наведения снарядов на большие расстояния.

Постоянно установленные наклономеры устанавливаются на крупных земляных работах, таких как плотины, для контроля долгосрочной устойчивости конструкции.

Факторы, влияющие на использование инклинометров

(Общая точность зависит от типа датчика наклона (или инклинометра) и используемой технологии)

Эта статья посвящена статическому измерению наклона. Для динамических измерений см. Наклономер .

Чертеж инклинометра, музей Галилео, Флоренция

Измерение наклона клинометром

Инклинометр или клинометр является инструментом для измерения углов наклона , высоты или депрессии объекта относительно гравитационного направления «ы. Он также известен как индикатор наклона , угол наклона датчика , метр наклона , наклон боевая готовность , наклон датчик , градиент метр , градиометр , уровнемер , измеритель уровня , деклинометр , и поле индикатор и крена . Клинометры измеряют как уклон, так и уклон, используя три различных единицы измерения: градусы , процентные точки и топо. Астролябия – это пример инклинометра, который использовался для астрономической навигации и определения местоположения астрономических объектов с древних времен до эпохи Возрождения .

Датчик наклона может измерить наклон в два часто осей опорной плоскости по двум осям. Напротив, полное движение будет использовать как минимум три оси и часто дополнительные датчики. Один из способов измерить угол наклона относительно плоскости земли – использовать акселерометр . Типичные приложения можно найти в промышленности и в игровых контроллерах. В самолетах «мяч», в свою очередь, координаторы поворота или указатели поворота и крена иногда называют инклинометром.

К инклинометрам относятся такие примеры, как клинометр Уэла, основными частями которого являются плоская сторона или основание, на котором он стоит, и полый диск, наполовину заполненный тяжелой жидкостью. Стеклянная поверхность диска окружена градуированной шкалой, которая отмечает угол, под которым стоит поверхность жидкости по отношению к плоскому основанию. Нулевая линия параллельна основанию, и когда жидкость стоит на этой линии, плоская сторона горизонтальна; 90 градусов перпендикулярны основанию, а когда жидкость стоит на этой линии, плоская сторона оказывается перпендикулярной или отвесной. Промежуточные углы отмечены, и с помощью простых таблиц преобразования прибор показывает скорость падения на заданное расстояние горизонтального измерения и заданное расстояние наклонной линии.

Уровень Абни – это портативный геодезический инструмент, разработанный в 1870-х годах, который включает в себя визирную трубку и инклинометр, расположенный так, чтобы геодезист мог выровнять визирную трубку (и ее перекрестие ) с отражением пузырька в спиртовом уровне инклинометра, когда линия визирования находится под углом, установленным на инклинометре.

Одна из самых известных инклинометров была на панели Ryan NYP «Дух Сент-Луиса» – в 1927 году Чарльз Линдберг выбрал легкий инклинометр Rieker Inc P-1057 Degree Degree, чтобы получать информацию об углах подъема и спуска.

Датчики наклона и инклинометры создают искусственный горизонт и измеряют угловой наклон относительно этого горизонта. Они используются в камерах, органах управления полетом самолетов, автомобильных системах безопасности и специальных переключателях, а также используются для выравнивания платформы, индикации угла наклона стрелы и в других приложениях, требующих измерения наклона.

Важными характеристиками, которые следует учитывать для датчиков наклона и инклинометров, являются диапазон угла наклона и количество осей. Оси обычно, но не всегда, ортогональны . Диапазон угла наклона – это диапазон желаемой линейной выходной мощности.

Распространенными реализациями датчиков наклона и инклинометров являются акселерометр, емкостный жидкостный , электролитический, газовый пузырь в жидкости и маятник.

Технология датчика наклона также была реализована в видеоиграх. Универсальная гравитация Йоши и Kirby Tilt ‘n’ Tumble основаны на механизме датчика наклона, который встроен в картридж. На PlayStation 3 и Wii игровые контроллеры также использовать тент в качестве средства , чтобы играть в видеоигры.

Инклинометры также используются в гражданском строительстве , например, для измерения наклона земли, на которой будет строиться строительство.

Некоторые инклинометры имеют электронный интерфейс на основе CAN (сеть контроллеров) . Кроме того, эти инклинометры могут поддерживать стандартизированный профиль CANopen (CiA 410). В этом случае эти инклинометры совместимы и частично взаимозаменяемы.

Символ, используемый в геотехнических чертежах

Инклинометры используются для:

Индикаторы наклона – одноразовые, хотя и многоразовые датчики, прикрепляемые к товарам как часть упаковки во время транспортировки.

Nintendo использовала сенсор наклона в пяти играх серии портативных игровых систем Game Boy . Датчик наклона позволяет игрокам контролировать аспекты игры, изменяя игровую систему. Игры, в которых используется эта функция:

Датчики наклона также можно найти в игровых контроллерах, таких как Microsoft Sidewinder Freestyle Pro и контроллер Sony PlayStation 3 .

Однако, в отличие от этих других контроллеров, в которых датчик наклона служит дополнением к обычным методам управления, он служит одной из центральных функций пульта Nintendo и насадки Nunchuk . Наряду с акселерометрами датчики наклона являются основным методом управления в большинстве игр для Wii .

Теперь он используется во многих различных аспектах, а не только в играх, таких как мотокросс и авиасимуляторы. Его можно использовать для спортивных игр, шутера от первого лица и других необычных применений, например, в WarioWare: Smooth Moves.

Другой пример – виртуальная версия деревянного лабиринта с препятствиями, в котором вам нужно маневрировать мячом, наклоняя лабиринт. Доморощенный интерфейс датчика наклона был сделан для Palm (КПК) .

Существует множество методов измерения наклона относительно перпендикулярного направления, определяемого силой тяжести. Припой или отвес смоделированы функции маятник тело, которые поддерживаются механически или электромагнитно и их расположение в электронном виде , индуктивно , емкостный или оптический измеряются. Гироскопические платформы определяют изменение положения относительно исходного положения и работают независимо от силы тяжести.

В микроэлектромеханических системах обычно используются пружинных масс, которые определяют отклонение малых испытательных масс в зависимости от положения с соблюдением принципов, перечисленных выше.

Остальные датчики работают с жидкостями. В них используется либо отражение, либо преломление светового луча уровнем жидкости, либо измерение сопротивления или емкости в зависимости от положения жидкости.

Тепловые процессы представляют собой другую группу: в измерительной ячейке есть небольшой нагревательный элемент. Нагретый газ поднимается в измерительной ячейке за счет конвекции . Вокруг измерительной ячейки расположены датчики температуры, которые определяют выравнивание теплового потока в измерительной ячейке и используют его для определения положения системы.

Некоторые цифровые камеры и смартфоны имеют три датчика ускорения, перпендикулярных друг другу, с помощью которых можно определить направление перпендикуляра по отношению к устройству и сохранить в метаданных файлов изображений.

Цифровое изображение с камерой, ориентированной горизонтально и слегка наклоненной вниз.

Выдержка из данных EXIF в соседнем файле JPEG показывает, например, соответствующие (округленные) измеренные значения:

Accelerometer Z : 250
Accelerometer X : -1
Accelerometer Y : 55
Camera Orientation : Normal
Roll Angle : 0
Pitch Angle : -12.4

Фотоаппарат записал картинку в альбомном формате (ориентация камеры = «нормальная»). Угол крена составлял около 0 ° , потому что камера была выровнена в сторону. Угол наклона 12,4 ° , потому что камера была наклонена. Поскольку он был наклонен вниз в направлении обзора, угол наклона считается отрицательным. Значения ускорения в X- (вправо / влево), Y- (вперед / назад) и Z-направлении (внизу / вверху) даны как округленные целые числа в диапазоне чисел от -256 до 256, и применяется вторичное условие:

Это максимальное значение 256, когда камера неподвижна, соответствует ускорению свободного падения .

Угол крена определяется значениями ускорения следующим образом:

Угол тангажа определяется значениями ускорения следующим образом:

Одним из важнейших измерений в строительстве является определение угла наклона, прогиба или деформации какой либо конструкции или элемента конструкции.

Используются для измерения:

– наклона зданий, плотин, мостов, створов шахт или их конструктивных частей;

– деформации тоннелей, мостов и шахт;

– прогибов и деформаций опор, стен и балок;

– боковых смещений горных массивов и почвы в оползневых районах;

– смещение плоскостей в насыпных плотинах;

– проседания фундаментов и насыпей (горизонтальные датчики).

Прикреплённый к конструкции датчик с кронштейном закрывается защитным кожухом. Датчик угла наклона производит измерения в двух плоскостях, наклон в диагональных проекциях вычисляется на основании этих данных. Подбирается датчик на основании требований к измеряемому углу наклона и точности измерений.

Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной – так называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при этом его сигнал слабо зависит от изменения температуры.

Для определения положения плоскости в пространстве используется два, расположенных под углом 90° друг к другу инклинометра. Выпускаемые приборы охватывают диапазоны измерения углов от ±2° до ±10° – инклинометры малых углов; от ±20° до ±70° – инклинометры средних углов; от ±90° до ±135° – инклинометры больших углов. Таким образом охватывается весь угловой диапазон от 4° до 270°. По заказу может быть поставлен датчик крена на ЛЮБОЙ промежуточный диапазон, лежащий в указанных выше пределах.

Инклинометры на большие углы имеют худшие температурные характеристики по сравнению с инклинометрами первых двух групп. Поэтому возможность их использования в точных системах, работающих в широком температурном диапазоне, должна быть заранее апробирована.

Максимальное удаление электронного блока от контрольного пункта – до 20 м.

При призводстве датчиков наклона с токовым выходом основной электронный блок дополнен преобразователем напряжения в ток 4-20мА; выпускаются все типы инклинометров, перечисленные в таблицах 1, 2, 3. При заказе этих датчиков следует указать тип необходимого прибора, и затем фразу «с токовым выходом». Кроме того следует указать, в каких пределах будет лежать сопротивление нагрузки (оно может быть от 50 Ом до 600 Ом). При минимальном сопротивлении нагрузки напряжение питания может быть 8В и выше, при максимальном 18В и выше. Чаще всего выбирается напряжение питания 24В, максимальное потребление прибора (при выходном токе 20мА) меньше 30мА. Максимальное удаление электронного блока от контрольного пункта – до 500 м.

Чувствительный элемент инклинометра выполнен в виде ампулы, установленной на печатной плате электронного преобразователя Габариты электронного преобразователя вписываются в размеры 34х34х10 мм или Ф36х10 мм. Для крепления платы электронного преобразователя предусмотрены два отверстия под винт. В настоящее время инклинометры с выходом по напряжению поставляются в металлическом корпусе, имеющем прижимное кольцо, которое позволяет фиксировать датчик в любом нужном угловом положении. Этот корпус обеспечивает степень защиты прибора IP66. Инклинометры с токовым выходом поставляются в пластмассовом корпусе, его степень защиты IP55.

Инклинометры могут использоваться в тяжелых условиях эксплуатации и выдерживают удары до 10g в любом направлении. При испытании на прочность в течение 4-х часов датчики выдержали 30 000 ударов с пиковым ускорением 10g.

В тех случаях, когда Заказчику целесообразно использовать свои корпуса – инклинометры могут поставляться в бескорпусном исполнении.

Двухкоординатный цифровой инклинометр

Двухкоординатный цифровой инклинометр

Традиционные спиртовые уровни и маятниковые электронные нивелиры обычно ограничены только одноосевым и узким диапазоном измерения наклона. Однако большинство задач по точному выравниванию, измерению углов, выравниванию и профилированию плоскостности поверхности по существу связаны с двумерным углом плоскости поверхности, а не с двумя независимыми ортогональными одноосными объектами. Двухосные инклинометры, в состав которых входят датчики наклона МЭМС , обеспечивают одновременное получение двумерных угловых значений касательной плоскости поверхности к нулевой точке земли.

Типичные преимущества использования двухкоординатных инклинометров MEMS по сравнению с обычными одноосными «пузырьковыми» или механическими нивелирами могут включать:

Пример использования

Модуль SW-520D может найти применение в любых проектах, где есть хоть какая-нибудь потребность в детектировании вибрации или наклона. Наиболее популярными направлениями являются:

Для более тесного знакомства с модулем SW-520D, создадим небольшой проект GSM-сигнализации, в котором данный модуль будет закреплён на окне охраняемого объекта контролируя его целостность. Схема проекта показана на рисунке №5

Рисунок №5 – схема GSM сигнализации с использованием SW-520D

Итак основным элементом схемы является плата Arduino Nano, которая возьмёт на себя всю основную работу. В роли GSM-модема выступит доступный и популярный среди ардуинщиков модуль SIM800L, питание которого обеспечивается DC-DC преобразователем MP2307DN. Резисторы необходимы для согласования логических уровней между микроконтроллером и GSM-модемом. Ну и наконец выход SW-520D заведен на пин обработки внешних прерываний, чтобы гарантировано зафиксировать факт проникновения.

Алгоритм работы сводится к следующему. При подаче питания Arduino запоминает состояние датчика SW-520D и с этого момента начинает фиксировать любые отклонения. Как только на входе D2 произойдёт смена логического уровня, микроконтроллер передаст соответствующую АТ-команду модулю SIM800L. Тот в свою очередь выполнит звонок на номер хозяина охраняемого объекта. Номер дозвона будет прописан в программе и при желании может быть заменен на любой другой.

Задача поставлена – время программировать. Ниже приведен код с подробными комментариями:

Модуль датчика наклона KY-020

Предыдущий датчик также можно встретить в виде модуля KY-020.

Датчики подобного типа не умеют определять малые углы наклона. Поэтому применяют в системах контроля, где гарантировано будет большой угол – крышки, дверцы, люки.

У модуля три вывода: земля, питание, цифровой вывод.

Входит в состав набора Набор из 37 датчиков

Приложения в геодезии

Датчики малого наклона встроены в основание современных теодолитов и тахеометров . Они могут быть очень точными (0,5–1 ″), поскольку для них требуется лишь небольшой диапазон измерения . Они берут на себя функцию высоты компенсатора для вертикального круга , но и контролировать угол наклона в оси в обоих направлениях.

Также на рынке есть собственные дополнительные устройства, например Б. для лазерных трекеров или для зондирования . Особо точные датчики наклона встроены в инструменты астрогеодезии , например, в современные призменные астролябии или зенитные камеры CCD .

Инклинометр с гироскопом

Поскольку инклинометры измеряют угол объекта относительно силы тяжести, внешние ускорения, такие как быстрые движения, вибрации или удары, вносят ошибки в измерения наклона. Чтобы решить эту проблему, можно использовать гироскоп в дополнение к акселерометру. Любое из вышеупомянутых ускорений оказывает огромное влияние на акселерометр, но ограниченно влияет на измеренные скорости вращения гироскопа. Алгоритм может объединить оба сигнала, чтобы получить наилучшее значение от каждого датчика. Таким образом можно отделить фактический угол наклона от ошибок, вызванных внешними ускорениями.

Дополнительные материалы

Компонент KY-027 для Fritzing

Реклама

Количество Arduino-проектов растет с каждым днём. Любители этой платформы ежедневно решают различные задачи, применяя всевозможные модули, датчики и шилды. В данной статье будет рассмотрен интересный модуль, который позволяет фиксировать вибрацию и смену положения своего чувствительного элемента в пространстве. Производители выпускают данный девайс под названием SW-520D. Его внешний вид показан на рисунке №1.

Рисунок №1 – внешний вид и распиновка модуля SW-520D

Взглянув на рисунок, можно заметить датчик SW-520D, распаянный на плате с электронной обвязкой, основные элементы которой рассмотрены ниже. Подстроечный резистор, включенный в паре с операционным усилителем LM393, позволяет регулировать чувствительность датчика к механическим воздействиям. Индикатор питания в виде SMD-светодиода загорается при подаче на модуль 5В. Индикатор сработки имеет аналогичное исполнение и помогает визуально отследить момент срабатывания датчика. Модуль имеет три вывода, два из которых предназначены для подачи питания, а третий является сигнальным.

На рисунке №2 приведена электрическая схема модуля SW-520D.

Рисунок №2 – электрическая схема модуля SW-520D

Как видно из вышеприведенного рисунка, микросхема LM393 работает в режиме компаратора, сравнивая два сигнала (опорный и полезный) на своих входах. Опорный сигнал масштабируется подстроечным резистором R3, тем самым меняя чувствительность модуля к показаниям датчика вибрации. В зависимости от результата сравнения на выходе микросхемы будет высокий или низкий логический уровень. Светодиод LED1 является индикатором наличия питания. Светодиод LED2 загориться в случае присутствия логического нуля на выходе D0, тем самым указывая на сработку датчика SW-520D.

Чтобы эффективно использовать датчик вибрации и наклона в своих проектах, следует понимать физику процессов, которые в нём происходят. На первый взгляд неопытному пользователю может показаться, что поведение датчика слегка нелогично. Однако, ознакомившись с внутренним устройством SW-520D, как правило всё становится на свои места. Обращаю внимание, что сейчас речь идет не о модуле в целом, а конкретно о самом датчике, имеющем цилиндрическую форму с двумя медными выводами.

Конструктивно датчик SW-520D представляет собой полый цилиндр в котором свободно перемещаются два металлических шарика, замыкая и размыкая чувствительные электроды. Чтобы понять в какой именно момент происходит замыкание, следует ознакомиться с рисунком №3, на котором есть вся необходимая информация.

Рисунок №3 – схема срабатывания датчика наклона и вибрации SW-520D

Технические характеристики

• Вертикальный угол срабатывания: 45;
• Горизонтальный угол срабатывания 10;

FAQ. Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Возможно ли применение “голого” датчика SW-520D вне модуля?

Ответ: Да, вполне возможно. В этом случае подключение к плате Arduino можно выполнить по следующей схеме:

Вопрос: Какое максимальное напряжение могут коммутировать контакты датчика   SW-520D?

Ответ: Максимально коммутируемое напряжение составляет 20В.

Вопрос: Какое гарантированное количество срабатываний может обеспечить датчик SW-520D?

Ответ: Коммутация контактов внутри датчика SW-520D имеет механическую природу, поэтому такое понятие как гарантированное количество срабатываний имеет место быть. Для подобных датчиков оно составляет порядка 100000.

Вопрос: Какова герметичность датчика?

Ответ: Сам датчик выполнен в герметичном корпусе и не боится воды и пыли, чего не скажешь о схеме модуля.

Вопрос: Насколько надежен датчик SW-520D в сравнении с аналогичными ртутными датчиками.

Ответ: Согласно заявления производителей, внутренние контакты SW-520D соответствуют стандартам качества и как следствие полностью могут заменить ртутные.

Подключение к Arduino

Для подключения модуля SW-520D к Arduino понадобится всего три провода, два из которых обеспечат питание, а по третьему будет передаваться сигнал на микроконтроллер. На рисунке №4 приведена соответствующая схема.

Рисунок №4 – схема подключения модуля SW-520D к Arduino

Детектировать изменение состояния датчика можно простым чтением логического уровня на входе D2, но в сложных программах микроконтроллер может быть занят другими задачами и как следствие пропустить кратковременную сработку. Поэтому целесообразно использовать внешние прерывания. В плате Arduino Nano и ей подобных для этого есть выводы D2 и D3. Ниже представлен простой пример программного кода, выводящий сообщение в терминал при сработке датчика.

Простейший датчик наклона

Датчик наклона – это капсула с двумя металлическими шариками внутри. Шарики перекатывается в капсуле и замыкают или размыкают цепь. Таким образом, датчик выдаёт простой цифровой сигнал: логический ноль или единицу в зависимости от того, в какую сторону наклонена капсула. Датчик наклона можно использовать в качестве простого переключателя при наклоне.

Самая распространённая модель – это SW-200D. У датчика один вывод серебристый, а второй – золотистый.

Модуль датчика наклона KY-027

Модуль датчика наклона KY-027 состоит из светодиода с резистором на 10кОм и колбы с шариком ртути. При наклоне в сторону электродов шарик скатывается и замыкает их. При наклоне в противоположную сторону шарик перемещается на противоположный конец колбы, освобождая и размыкая электроды. У модуля четыре вывода: земля, питание, вывод для светодиода, вывод для ртутного шарика. Также на плате имеется дополнительный стандартный светодиод. Если сравнивать с моделью KY-017, то можно увидеть разное количество выводов (3 и 4) и разные типы светодиодов (встроенный и внешний).

Часто модуль поставляется парами, чтобы отслеживать наклоны в двух плоскостях.

Подключим два датчика по следующей схеме. При наклонах светодиоды должны плавно менять свою яркость.

Датчики наклона

Простейший датчик наклона
Модуль датчика наклона KY-020
Модуль датчика наклона KY-017
Модуль датчика наклона KY-027

Модуль датчика наклона KY-017

Модуль датчика наклона KY-017 содержит встроенный светодиодный индикатор. Когда датчик срабатывает, светодиод загорается. Непосредственно сам датчик представляет собой маленькую стеклянную колбу с двумя контактами. Внутри колбы находится ртутный шарик. При наклоне в сторону электродов шарик скатывается и замыкает их. При наклоне в противоположную сторону шарик перемещается на противоположный конец колбы, освобождая и размыкая электроды. У модуля три вывода: земля, питание, цифровой вывод.

Считываем показания датчика при наклонах. Если контакты замкнуты, то включаем светодиод. Также будет включаться и встроенный светодиод без участия кода.

Соединим по следующей схеме. Один вывод датчика наклона соединим с аналоговым выводом A5, также к этому выводу добавим резистор 220Ом и притянем его к GND. Второй вывод датчика соединим с 5V. Для наглядности добавим в схему светодиод к контакту 8.

При наклоне в одну сторону светодиод будет светиться, в остальных случаях светодиод остаётся выключенным.

При просмотре показаний я увидел, что в обычном состоянии значение равно 0, при попытке чуть-чуть наклонить датчик в одну сторону показания резко увеличиваются до 900 с лишним единиц. Промежуточных результатов практически нет.