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角位移传感器的应用技术 |
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角位移传感器可以用来测量物体相对于水平面的倾角值，但是在更多的应用里，用户需要通过角位移传感器检测数据的变化了解设备或物体的状态是否安全、性能是否最佳。作者就涉及安全、市政、节能增效等应用场合探讨了角位移传感器的应用技术。
前言
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。角位移传感器（也称倾角传感器）是其中的一种，它可以用来测量物体相对于水平面的倾角值。
角位移传感器最直接的应用是检测各类设备、物体与水平面的倾角值，或者是运动设备或物体的角位移变化值。如工厂里常用的皮带输送机，可能需要检测其相对于水平面的倾角，当皮带输送机是移动式或在物料堆场的堆取料机上安装时，其运行角度是变化的，都可能需要使用角位移传感器检测其倾角变化值或角位移值。
但是在更多的应用里，可能用户并不需要了解设备或物体的倾角值，而只不过是通过角位移传感器检测数据的变化，了解设备或物体的状态是否安全、性能是否最佳。而这样一些应用大大拓展了角位移传感器的应用空间，使其广泛应用于各行各业，从而发挥了更大的作用。
我们可以对角位移传感器的应用作一些归类，一方面要在目前已经进入的领域作进一步的开拓，另一方面积极探索进入新领域的可能性。以下作者将就涉及安全、市政、节能增效等应用场合探讨角位移传感器的应用技术。
安全应用
在金属矿山或煤矿露天开采时，边坡越陡，废石采掘量越少，经济效益越高，但边坡的稳定性就降低了。所以采场的做法是采用高陡边坡，同时加强对采场边坡稳定性进行监测。采场边坡稳定性就需要采用角位移传感器，用于对边坡可能发生滑坡的危险进行实际观测，当有滑坡危险的苗头时，应预判滑动性质、滑动体规模和准确预报滑坡等以确保人员和设备的安全，避免灾难性事故的发生。
电视塔等高度非常高的建筑物，在建设过程中或者后期维护中需要对塔体的倾斜角度采用角位移传感器进行监测，预防建筑物倾斜倒塌事故发生。年代久远的古建筑物、历史文物需要进行保护时，也往往需要采用包括角位移传感器在内的传感器进行监测。据介绍，泰山世界文化遗产动态信息及监测预警系统设计方案将泰山古建筑群、碑刻群列为重要保护对象，方案要求对这类保护对象进行微环境、稳定性及风化情况进行实时在线监测，其中稳定性监测就需要采用包括角位移传感器在内的各类传感器对建筑群、碑刻群的倾斜、位移、开裂进行监测。
图1 露天矿边坡的实时监测设备
活火山有可能喷发，甚至造成火山性地震，为了了解火山喷发前的地壳运动，可以把角位移传感器埋置在火山附近的地下深处，当火山将要喷发的时候，就可以对通过地壳运动引起的角位移传感器角度变化进行检测。日本九州鹿儿岛县樱岛的火山活动非常活跃，2006年、2009年、2011年、2013年就发生了4次较大规模的火山喷发，而在2015年的8月23日，樱岛活火山发生了4次小规模的喷发，烟高300~600m，角位移传感器的观测数据显示山体仍然处于膨胀状态。日本气象厅认为发生大规模喷发的可能性增大，宣布维持第4级喷发预警，呼吁民众予以高度警惕，并要求当地居民避难。
一些高空作业的车辆，如塔式起重机、履带式起重机、轮胎式起重机、火车线路架桥机、高空作业车等移动式作业车辆，其车体质量主要分布在竖直方向上，因此，其在水平方向上的平衡性比较差。一旦所处地面不平整，车体晃动，很容易引起侧翻发生，威胁使用者的人身安全。塔式起重机所装备的防倾翻监控仪由角位移传感器和倾角显示报警器组成，当塔身的倾斜角度超过角位移传感器设置的临界角度时，报警装置报警，提醒操作人员注意并排除引起倾翻的风险因素，确保作业过程安全。轮胎式起重机驾驶室的水平状态和吊杆倾角均由角位移传感器来测量（见图2），将这两个变化量引入安全系统，以防止倾翻事故的发生。
图2 轮胎式起重机角位移传感器的安装位置
2008年我国南方最冷的冬天很多输电线路因结冰增重而造成输电线铁塔倒塌的事故，而现在角位移传感器应用于输电线铁塔倾斜角度实时监测，一旦因为线路结冰、大风等自然灾害导致倾斜角度过大，可实时发出预警信号，由工作人员维修以减少损失。
市政应用
市政行业的应用是一个极具潜力的应用领域，如随着城市的飞速发展，城市商业化元素也在迅速的增长，广告牌匾大幅度增加，但当出现大风、骤雨等极端天气时，这些大型户外广告发生倾倒的事例屡见不鲜，成为城市管理中突出的安全隐患。人工巡查费时费力，且无法实现对大型户外广告牌匾稳固性的实时监测。基于角位移传感器的大型广告牌匾倾斜监测系统的设计，实现了对大型牌匾倾斜角度的实时测量、动态智能感知预警，使监管单位第一时间发现存在的安全隐患，保证及时修缮。北京西城区就在大型户外广告牌匾上加装了角位移传感器，监测数据可以通过无线网络实时传输到管理部门，根据监测结果对大型广告牌匾的倾倒情况自动化预警。
昆明市城市管理综合行政执法局在城市道路桥梁管理信息系统中首次对桥梁牢固度、车流量、桥墩倾斜等数据进行监测分析，其中包括桥墩倾斜监测仪（见图3）。如当车辆经过桥梁时，每个桥墩都会产生微小的倾斜，可通过角位移传感器监测倾斜数据。再通过无线网络传输至监控平台，如果倾斜数值突破正常范围，系统就会立即报警，工作人员就会马上赶到现场，对桥梁安全情况进行检查。
图3 桥墩倾斜数据监测数据传送
新疆阿勒泰市政府购置了一辆32m的云梯消防车，车上安装了角位移传感器，对云梯伸缩臂在不同的举升高度时的倾斜角度进行测量和监控，以避免云梯因超载引起倾覆事故。而在路面非平整地带，还可以通过装在云梯底部平台的角位移传感器对车体自身的倾斜角进行测量并修正，以保证倾角测量的真实性。
道路井盖是城市地下管道系统中的一项公共基础设施，主要用于遮盖地面上的各类深井坑，以防行人及车辆跌落或陷入其中，避免安全意外的发生，同时也能对地下设施起到了隔绝保护的作用。当前城市道路井盖数量庞大，覆盖范围广，传统的人为监控和管理已经显得力不从心。通过在井盖上加装角位移传感器，然后以远程无线监控方式可对井盖的日常状态进行监控。
沉香为传统名贵中药，每克市价高达数万港币，香港过去3年已有近500棵沉香树被非法砍伐。香港中文大学研发出“护树监控系统”，集合了声波传感器、温湿度传感器、角位移传感器等功能的新型传感器模块，可24小时监控树木状况，若有人锤击或砍伐沉香树，传感器信息将通过Wi-Fi或电信网络向监控中心发出警报。
节能增效应用
为充分利用太阳能发电，选择太阳能电池板的方位角与倾斜角是一个重要的问题，太阳能双轴跟踪器采用主动式跟踪，通过驱动两台步进电机以实现光伏电池水平和竖直方向同时对太阳自动跟踪，从而保证电池板表面时刻与太阳光线垂直，最大限度地接收太阳能量（见图4），从而有效地提高整个太阳能发电系统的运行质量。研究表明，太阳能设备对太阳光线的跟踪与非跟踪，其能量的利用率相差30~40%。
图4 利用角位移传感器检测并调整角度的太阳能跟踪器
通常电子皮带秤的传感器只有测量承载器上物料瞬时重量的称重传感器和测量皮带行程的位移传感器，当皮带输送机倾角固定不变时，电子皮带秤的称重传感器及位移传感器两个信号的乘积就是物料的瞬时流量；当输送皮带机倾角可能改变时，称重传感器及位移传感器两个信号乘积所得的物料的瞬时流量要用角位移传感器（见图5）的信号进行修正，南京三埃工控股份有限公司在港口可移动皮带秤上以其最新发明专利——三维姿态跟踪技术（全方位称重单元姿态跟踪），完成称重系统的角度变化跟踪、检测，从而达到在最大和最小角度的计量误差优于0.5%运行准确度。据计算，如果没有安装角位移传感器，当移动式皮带机的倾角由13°增大到18°时，仅由倾角变化所引起的测量误差将超过2.40%。
图5 角位移传感器在皮带输送机纵梁上的安装
无人机上安装了高精度角位移传感器，用于实时监测飞机的飞行姿态，信号通过无线电波传输到地面控制中心，使无人机能实现稳定飞行。
小结
综上所述，角位移传感器的应用越来越广泛，针对角位移传感器进一步的发展，我有以下几点建议：应拓宽角位移传感器的应用领域，扩大其应用范围；由于新的应用中测点大多相对分散，目前很多应用中采用的无线传输技术应该是角位移传感器信号传送的发展方向；由于大量的应用是在环境条件恶劣的露天场所，所以角位移传感器的工作温度范围、振动、电磁干扰、防护等级等应适应苛刻环境的要求。(end)
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(12/17/2015) |
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