一、电解式传感器技术

在静态应用中，电解式（Electrolytic）是精度***、重复性***的技术之一。电解式倾角传感器没有会断裂或磨损的机械运动部件；并且由于倾角测量以重力为参考，它们可以安装在任何位置，而不需要复杂的杠杆或夹具。

“tiltmeter（倾斜仪/倾角计）”“inclinometer（倾角仪）”和“clinometer（测斜仪）”通常都指一种以惯性为基准、相对于垂直重力矢量测量角度旋转的设备——重力矢量是所有外部参考中***稳定的一种。在Jewell Instruments，我们将更高精度的地学（geo）仪器称为tiltmeter。

我们将clinometer这一名称用于通用型的900系列产品。电解式传感器技术是我们地学产品（Geo Products）的核心组成部分，这些产品用于地球物理（Geophysical）与岩土工程（Geotechnical）市场中的多种应用。

所有Jewell 的tiltmeter 与clinometer都内置信号调理电子学，可在较宽的输入电压范围内提供稳定的输出信号。这一重要特性意味着你可以确信测量结果反映的是实际运动，而不是电源供电变化。电子学提供的高电平电压、电流及串行输出，可在长距离电缆与无线数据链路上传输可靠数据。

另外，所有tiltmeter的输出都包含温度测量信息。

我们按测量分辨率和角度量程将tiltmeter分为四个系列：经济型（Economical）、高精度（High Precision）、超高精度（Ultra Precision）以及微型倾角传感器与信号调理（Mini Tilt Sensors and Signal Conditioners）。部分仪器的分辨率以微弧度（microradian）甚至纳弧度（nanoradian）表示——这反映了其极高的灵敏度。

二、它们如何工作？

每台Jewell tiltmeter 与clinometer内部都包含一个或多个电解式倾角传感器。这种传感器由一只密封的玻璃或氧化铝（alumina）小管（vial）构成，管内部分充满电解液。导电液体会覆盖三枚或五枚内部电极（取决于传感器类型）。其工作基于一个基本原理：封闭在液体中的气泡总是会将自身取向调整为与垂直重力矢量垂直。

这一现象的传统应用包括常见的木工水平尺，以及测量经纬仪和航海六分仪上的水准泡。

图1 电解式倾角传感器的基本结构示意（激励电极、拾取电极、导电液体与气泡）

图2 电解式倾角传感器外观示例

图3 传感器内部液体与气泡的直观展示

电解式倾角传感器能以小巧且价格可承受的形式实现令人惊叹的性能。动态范围（Dynamic Range）定义为***测量范围除以可检测到的***小角度。我们的一些传感器可实现超过120 dB 的动态范围（大于1,000,000:1）。

Jewell的tiltmeter将电解式倾角传感器作为交流电压分压器（AC voltage divider，类似电位器）来工作。tiltmeter的电子电路产生一个平衡的交流信号，并以差分方式施加到两枚激励电极上。在拾取电极处测得的输出信号幅值与相位，指示倾斜运动的大小与方向。

图4 以交流激励方式读取电解式倾角传感器的示意

图5 五电极结构示意（用于双轴测量的电极布局示例）

当传感器处于水平状态时，导电液体在两侧激励电极上的覆盖面积相同；激励电极与拾取电极之间的交流电阻R1 与R2相等。然而当传感器倾斜时，液体在某一侧激励电极上的覆盖面积增大，导致R1 与R2 不再相等。

倾角传感器也可以作为惠斯通电桥（Wheatstone bridge）的有源半桥来工作。惠斯通电桥主要用于调零（归零/调平）应用。无论采用哪种电路，只能对传感器施加交流激励（AC excitation）。直流（DC）会因电极电镀（plating）而损坏传感器。

我们的单轴tiltmeter使用一只倾角传感器。500、700和800 系列的双轴tiltmeter使用两只相互正交布置的倾角传感器。900系列双轴clinometer则使用一只五电极的电解式倾角传感器，电极呈十字形排列。在这种情况下，双轴倾角测量通过交替激励两组正交电极对来完成。

三、我们的电解式传感器有多准确？

电解式传感器在其细分市场中属于灵敏度非常高的一类，分辨率可细至2.5纳弧度。什么是纳弧度？假设你有一根从旧金山延伸到纽约（约2500英里）的梁，如果将其中一端抬高4 毫米（大约1/8 英寸），它的倾斜量就是1 纳弧度。

图6 “纳弧度”直观示例：跨越约2500英里长度的一端抬高4 mm

1度= 17,453,000 纳弧度，并且

1纳弧度= 0.00000005 度

电解式技术的主要优势包括：

1. 重复性卓越
   
2. 分辨率惊人，可细至 2.5 纳弧度
   
3. 以重力方向为参考——所有外部参考中 稳定的一种
   
4. 无需“上电后归零”误差
   
5. 没有会断裂或磨损的机械部件
   
6. 热漂移低
   
   

四、产品选型

下表按“分辨率”和“量程”给出不同系列的典型定位（原文为概览信息）：

注：750系列采用另一种名为“力平衡（Force-balanced）”的技术；850与875系列采用另一种名为“MEMS”的技术。

五、精选产品

900 系列

应用：OEM、工厂与工业场景；俯仰与横滚（pitch and roll）应用。

Clinometer A904 系列是一种经济型解决方案，采用坚固的NEMA 4X（IP65）外壳。其内部敏感元件为高精度电解式倾角换能器，提供无与伦比的分辨率与长期稳定性。测得的角运动以恒定的垂直重力矢量为参考，从而省去寻找外部基准所需的时间与成本。

它适用于多种工程项目，包括结构行为测试、地基条件监测、天然与人工结构的监视，以及机器定位与控制。

Clinometer C904 为环路供电（loop-powered）。无需单独电源为倾角计供电，因为它从电流环中取电。C904还包含温度传感器；其输出为与摄氏温度成比例的直流电流。

双轴型号MD900-T 是一款经济型数字clinometer，具备强大的固件功能，面向多种工业与科学应用，例如工业俯仰/横滚测量、海上打桩、疏浚与施工系统、平台调平、岩土监测等。用户可编程设置包括自动置零（AUTO-zero / tare）、波特率与输出速率、采样平均等。可选串行接口为RS-232 或RS-422（RS-485全双工）。

出厂标定值存储于非易失性存储器中。液体填充的电解式换能器构成传感元件，并由稳定、低噪声电子学进行激励与读取。该clinometer采用易于安装的外壳，并提供RS-232 或RS-422 串行接口。

800 系列

应用：岩土工程、边坡稳定、精密测量与控制。

Model 801 Tuff Tilt 单轴与双轴tiltmeter适用于多种监测与测量应用。Model 801 提供高增益（±0.5°量程）、标准（±3°量程）与宽角（±50°量程）版本；每个版本又分别提供纵向、横向以及双轴倾角结构。

Model 802 DeepWater 是一款面向水下倾角测量及其他高外压环境的精密tiltmeter。在这些苛刻条件下，Model 802 提供无与伦比的灵敏度与长期稳定性。316不锈钢外壳内封装稳定、低噪声电子学以及电解式倾角传感器（敏感元件）。

测得的角运动以恒定的垂直重力矢量为参考，从而省去寻找外部基准所需的时间与成本。DeepWater tiltmeter非常适合用于监测水下结构（如大坝、海上油气平台与管线）的行为，测量水下机械的旋转运动，以及跟踪船舶的俯仰与横滚。我们也提供浅水用的820 系列，适用于淡水与海水环境。

其外壳由316 不锈钢制成，并具备200 米（656.2英尺）防水等级，可对环境因素提供更高级别保护。

700 系列

应用：岩土工程、边坡稳定、精密测量与控制。

700系列平台式与表面安装式tiltmeter为双轴、模拟输出倾角计，设计目标是高灵敏度、低功耗、耐用性与可靠性，可在严苛野外条件下长期工作。它们适用于偏远地区的岩土与地球物理项目，也能在工业与实验室应用中多年无故障运行。

它们在全球范围内用于监测大坝、矿山、火山、电站、工程与科研实验室、桥梁、公路，以及众多其他工业与科研设施中的地表和结构变形。平台式与表面安装式tiltmeter本质上非常相近，均由铝或不锈钢底板、铝或不锈钢上盖（罩壳）、传感器、PCB、连接器与开关构成。

区别在于：平台式tiltmeter带可调支脚，可在任何坚硬水平面上调平；而表面安装式tiltmeter的底板带安装孔，可安装在测量面内预埋的螺纹柱上，并通过螺母调节位置并牢固锁定，适合长期测量。

D711是一款封装在防风雨外壳中的高精度双轴数字tiltmeter。高增益版本D711-A 具有***灵敏度，角量程为±0.5°；中量程版本D711-B角量程更大（±5°），但灵敏度更低。

典型应用包括：望远镜、天线与机身的精密对准；结构与地基监测；火山监测；以及任何需要在严苛工况下进行高精度测量的任务。该tiltmeter 可选RS232 或RS485 数字输出。RS232通常适用于小于15 米（49.2英尺）的电缆长度。

该tiltmeter 的RS485 输出在功能上等同于RS422 输出，可驱动超过1000 米（3,231英尺）的电缆长度。D711可通过螺栓固定或夹持在任何表面上，并可用于交通繁忙或振动较大的区域。

600 系列与500 系列

应用：地球物理研究、高精度计量。

603高精度平台安装式tiltmeter为双轴、模拟输出倾角计，设计目标是高灵敏度、低功耗与耐用性。适用于偏远地区的岩土与地球物理项目，也能在工业与实验室应用中长期运行。该tiltmeter由喷涂白色的铝上盖（罩壳）、不锈钢底板、电解式倾角传感器、PCB、连接器与开关构成。

它配有两条可调蜗杆支脚，便于放置在坚硬水平面上时调平。开关允许倾角计在不同增益设置之间切换，并启用额外的无源滤波。

LILY自调平井下倾角计（Self-Leveling Borehole Tiltmeter）面向火山与构造研究，也用于监测水力压裂以及能源与矿业中的其他地下过程。LILY汇聚了工程师与科学家在仪器与地球物理领域超过35年的经验。其小直径与高压不锈钢壳体使其在严苛野外项目中更坚固且更具适应性。

该双轴倾角计在两条相互正交的垂直平面内使用高精度电解式倾角传感器感知角运动。数字电子学将倾角信号转换为易于记录的RS485 或RS232数据流，数据内容包括：倾角（2通道）、方位角、温度、序列号与时间。以NMEA 0183格式输出数据是其标准特性。LILY的倾角传感器可按指令在±10°范围内自调平，并在±330微弧度动态范围内实现小于5 纳弧度的分辨率。

LILY采用一种创新设计，以远低于以往同类仪器成本的方式实现了高机械稳定性——这是稳定长期测量所必需的。

微型倾角传感器与信号调理

应用：地球物理、天线/雷达定位、高精度岩土工程。

我们的微型倾角传感器（例如755 与756系列）是用于测量以重力为参考的角运动的商用传感器中***精密、重复性***的一类，且外形高度非常低。微型倾角传感器包含一只或两只电解式倾角换能器——每一只对应一个正交的旋转轴。

755系列包含高增益（A型）传感器，可在±1°的弧度范围内分辨小于0.1 微弧度的角度变化。

756 系列包含中量程（B型）传感器，可在±10°范围内分辨1 微弧度。我们建议配合使用Jewell Instruments LLC 提供的信号调理电子学来驱动这些传感器。

781信号调理单元（Signal Conditioning Unit, SCU）是一款紧凑模块，可与所有Jewell倾角传感器配合使用。SCU内置电子学可同时激励两只电解式倾角换能器，并将返回信号调理为两路模拟直流电压。SCU在每个倾角通道上同时提供单端与差分输出，因此你可以选择***适合应用的输出方式。

SCU还会从National Semiconductor 的LM-35温度传感器读取温度，并提供与温度成比例的模拟输出；温度仅以单端输出形式提供。

Jewell Instruments的仪器在全球范围内用于测量大坝、电站、机械、矿山、桥梁、建筑、隧道、储罐、挡土墙、井、滑坡、火山等天然与人工结构的行为。

北京巨泽科仪科技有限公司代理美国进口Jewell公司全系列超高精度倾角计，欢迎咨询！