标题：倾角传感器
基本原理
理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。  倾角传感器当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。
发展历史
随着MEMS 技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计（microaccelerometer）就是惯性传感器件的杰出代表。作为最成熟的惯性传感器应用，现在的MEMS 加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。
倾角传感器把MCU，MEMS加速度计，模数转换电路，通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。可以直接输出角度等倾斜数据，让人们更方便的使用它。　
特点
硅微机械传感器测量(MEMS)以水平面为参面的双轴倾角变化。输出角度以水准面为参考，基准面可被再次校准。数据方式输出，接口形式包括RS232、RS485和可定制等多种方式。抗外界电磁干扰能力强。 承受冲击振动10000G。
种类
种类粗分：单轴的和双轴两种
选择依据：根据你需要测量几个方向的倾角，如果是一个就用单轴的，如果是两个方向的（俯仰和横滚）就选用双轴的。
“固体摆”式惯性器件
  固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，如图1所示，其由摆锤、摆线、支架组成， 摆锤受重力G和摆拉力T的作用，其合外力F为：（1）
其中，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。
“液体摆”式惯性器件
液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三根电极相互平行且间距相等，如图2所示。当壳体水平时，电极插入导电液的深度相同。如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻RI和RIII。若液体摆水平时，则RI=RIII。当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三根电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。如图3所示，左边电极浸入深度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻RI增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻RIII 减少，即RI>RIII。反之，若倾斜方向相反，则RI<RIII。
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”。
“气体摆”式惯性器件
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。
“气体摆”式惯性器件的敏感机理基于密闭腔体中的能量传递，在密闭腔体中有气体和热线，热线是唯一的热源。当装置通电时，对气体加热。在热线能量交换中对流是主要形式。
对流传热的方程为：（2）
其中：h—热量传递系数（w/m2×k），s—热线表面积(m2)，TH—热线温度（K），TA—气体温度（K）。
热量传递系数h与流体的热传导率、动力学粘度、流体速度和热线直径有关，表示为：（3）
其中：Nu为—努塞尔（Nusselt）数，l—热传导率（W/mK），Re—雷诺（Reynold）数，U—流体速度（m2/s）,D—热线的直径（m）,n—流体的动力学粘度。
当气流以速度U垂直穿过热线时，（4）
将（4）式代入（3）式得：（5）
根据热平衡方程可得：
所以：（6）
假设和s为常数，则有：（7）
从式（7）可以看出，当流体的动力学粘度、密度和热传导特性一定时，若热线周围流体的速度不同，则流过热线的电流也不同，从而引起热线两端的电压也产生相应的变化。气体摆式惯性器件就是根据一原理研制的。
气体摆式检测器件的核心敏感元件为热线。电流流过热线，热线产生热量，使热线保持一定的温度。热线的温度高于它周围气体的温度，动能增加，所以气体向上流动。在平衡状态时，如图4(a)所示，热线处于同一水平面上，上升气流穿过它们的速度相同，即V1=V1′，这时，气流对热线的影响相同，由式（7）可知，流过热线的电流也相同，电桥平衡。当密闭腔体倾斜时，热线相对水平面的高度发生了变化，如图4(b)所示，因为密闭腔体中气体的流动是连续的，所以热气流在向上运动的过程中，依次经过下部和上部的热线。若忽略气体上升过程中克服重力的能量损失，则穿过上部热线的气流已经与下部热线的产生热交换，使穿过两根热线时的气流速度不同，这时V2&cent;>V2，因此流过两根热线的电流也会发生相应的变化，所以电桥失去平衡，输出一个电信号。倾斜角度不同，输出的电信号也不同。  
固、液、气体摆性能比较
就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言，它们各有所长。在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的敏感质量是气体。
气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的要求。
固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同。在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，在武器系统中应用也较为广泛。
液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外产品多为此类。
典型应用场合
角度测量，水平调整，零位调整
倾角开关（十二路开关信号）， 
安全控制，监控，报警
机械臂，大坝，建筑，桥梁角度测量
对准控制，弯曲控制。
初始位置控制，倾角姿态记录仪
汽车四轮定位
主要应用
1.倾角传感器在太阳能热水器上应用
现在在各楼顶上随处可见太阳能热水器，随着不可再生资料的极度消耗，太阳能已经成为各能源公司考虑的首要对象，如何更好、更充分的利用太阳能成为了当今太阳开发需要考虑的一大问题。
2.水平测量应用
倾角传感器可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。
3.工程机械应用
在重型工业机械里，无论是挖掘机，起重机，升降机，还是平地机，倾角传感器(倾角模块)在这些重型机械设备中有着取足轻重的作用。不仅是保证里这些机械设备的角度范围在安全之内，同时还可以举到如果超出范围就报警，保护人身安全的作用。如在可伸缩机械手中倾角传感器是来测量驾驶室的姿态和吊杆倾角变化情况，保证驾驶安全。
4.无人机
无人机上安装了大量的倾角传感器，用于实时检测监测飞机的飞行姿态，通过无线电波传输到地面控制中心，高精度倾角传感器系列属于高精度高稳定性系列，在飞机姿态校准，帆船姿态控制等领域有广泛的应用。
5.汽车的四轮定位
四轮定位仪的主要解决方案是对每个轮采用倾角传感器来做测试,如果不正常,就校正掉.高精度倾角传感器模块,为各种对零点校正、灵敏度校正和宽温度特性补偿等技术指标要求严格的工业水平测量控制应用而设计，适用于汽车四轮定位、工业调平等应用。
6.医疗应用
自动控制手术床的控制手柄,希望用双轴倾角传感器安装在手柄中,通过控制手柄在横滚和俯仰方向的移动来控制电机传动进程,以操作手术床的运动(只有X,Y两个方向的横滚和俯仰运动).由于要安装在手柄中,希望体积不要太大。
7．飞行器飞行器姿态控制[1]
飞行器姿态的稳定通常采用倾角传感器控制，包括以下几种方式：第一种是三轴稳定，依靠姿态控制分系统使飞行器偏航轴方向始终保持与当地铅垂线方向一致，以保对地观测传感始终对准地面。其次是自旋稳定，例如卫星自转轴对空间某点取向固定，使其姿态保持稳定。第三种是重力梯度稳定。在地球重力场作用下，转动物体的转轴逐渐达到平衡状态，与重力梯度方向一致，即同当地垂直线方向一致，以保持飞行器姿态的稳定。我们将直角坐标系的原点置于星体上，指向地面的Z轴反映偏航方向，Y轴反映俯仰方向，X轴反映滚动方向。星体在高空中沿局部地球铅垂方向和轨道矢量方向运行，不时地产生对三轴的偏移。为保证星体运行中姿态的稳定，应使倾角传感器Z轴指向精度达到与局部铅垂方向误差≤°，不致产生过渡的俯仰和滚动，对偏航而言也应使速度矢量的偏差保持在°之内。
倾角传感器应用特点
可以调节输出频率，内置零位调整，可以根据要求定制零位调整按钮，从而实现在一定的角度置零的功能。这对于要测量相对倾角的场合非常有用。使用完毕后可以重新回归零位。倾角传感器在这种场合使用，只要将传感器固定在一定的平面，测量前使用零位按钮实现清零功能，传感器在此之后读出来的数据就是相对于该平面的  双轴倾角传感器相对倾角。滤波功能：当要求输出比较稳定时，建议使用比较平缓的输出，以使输出的值趋向平和，而变化不至于太剧烈。如果要求非常及时的输出，比如在测量有较高频率的振动的场合，可以使用高频输出，不过，输出会因为响应时间非常短而不稳定。同时，可以使用内部滤波功能，以实现在振动场合测量倾角的目标。全量程倾角测量：通过双轴的配合，可以实现360度倾角的测量。目前产品已经非常稳定。在一些需要进行全量程倾角测量的场合，选择360度产品是比较理想的。
倾角传感器的用途
倾角传感器用于各种测量角度的应用中。例如，高精度激光仪器水平、工程机械设备调平、远距离测距仪器、高空平台安全保护、定向卫星通讯天线的俯仰角测量、船舶航行姿态测量、盾构顶管应用、大坝检测、地质设备倾斜监测、火炮炮管初射角度测量、雷达车辆平台检测、卫星通讯车姿态检测等等。