Введение

Инструмент, используемый для измерения наклона поверхности относительно местной гравитации – статическое измерение наклона. Инклинометр или клинометр – это инструмент, используемый для измерения углов наклона, возвышения или углубления объекта относительно направления силы тяжести. Он также известен как индикатор наклона, датчик наклона, наклономер, предупредитель о наклоне, измеритель наклона, градиентомер, градиометр, индикатор уровня, уровень, деклинометр и индикатор крена и тангажа. Клинометры измеряют как наклоны, так и уклоны, используя три различных единицы измерения: градусы, проценты и топосы. Астролябия является примером инклинометра, который использовался для небесной навигации и определения местоположения астрономических объектов с древних времен до эпохи Возрождения. Датчик наклона может измерять наклон часто по двум осям относительно эталонной плоскости. В отличие от этого, для полного определения движения требуется как минимум три оси и часто дополнительные датчики. Один из способов измерения угла наклона относительно земной поверхности – использование акселерометра. Типичные области применения включают промышленность и игровые контроллеры. В авиации "шарик" в координаторе поворота или указателе поворота и крена иногда называют инклинометром.

История

К инклинометрам относятся такие примеры, как инклинометр Уэллса, основными частями которого являются плоская сторона или основание, на котором он стоит, и полый диск, заполненный наполовину тяжелой жидкостью. Стеклянная поверхность диска окружена градуированной шкалой, отмечающей угол наклона поверхности жидкости относительно плоского основания. Нулевая линия параллельна основанию, и когда жидкость находится на этой линии, плоская сторона горизонтальна; отметка в 90 градусов перпендикулярна основанию, и когда жидкость находится на этой линии, плоская сторона перпендикулярна или выровнена по вертикали. Промежуточные углы также отмечены, и с помощью простых таблиц перевода прибор указывает скорость изменения высоты на заданном расстоянии горизонтального измерения и на заданном расстоянии по наклонной линии. Аль-Бируни, персидский ученый-энциклопедист, однажды захотел измерить высоту Солнца. У него не было необходимого оборудования для этого измерения. Он был вынужден создать калиброванную дугу на задней стороне счетной доски, которую затем использовал в качестве импровизированного квадранта с помощью отвеса. Он определил широту местности, используя измерения, полученные с помощью этого примитивного инструмента. Вероятно, этот квадрант был инклинометром, основанным на четверти окружности. Уровень Абни – это портативный геодезический инструмент, разработанный в 1870-х годах, который включает в себя визирную трубку и инклинометр, расположенные таким образом, чтобы геодезист мог совместить визирную трубку (и ее перекрестие) с отражением пузырька в спиртовом уровне инклинометра, когда линия визирования находится под углом, установленным на инклинометре. Одной из известных установок инклинометра была панель самолета Ryan NYP "The Spirit of St. Louis" – в 1927 году Чарльз Линдберг выбрал легкий инклинометр Rieker Inc P 1057 Degree, чтобы получать информацию об углах набора и снижения высоты.

Применение

Ручные клинометры используются для решения широкого спектра задач в геодезии и измерениях. В геодезии и картографии клинометр позволяет быстро измерять уклон географических объектов или применяется при исследовании пещер. В геологоразведке клинометры используются для определения простирания и падения геологических образований. В лесном хозяйстве высоту деревьев можно измерять с помощью клинометра, используя стандартизированные методы, включая триангуляцию. Крупнокалиберные артиллерийские орудия могут быть оснащены клинометром, облегчающим наведение снарядов на большие расстояния. Постоянно установленные инклинометры устанавливаются на крупных инженерных сооружениях, таких как плотины, для контроля долгосрочной устойчивости конструкции.

Точность

Некоторые высокочувствительные электронные датчики наклона могут достигать разрешения выходного сигнала до 0,0001°; в зависимости от технологии и диапазона углов, оно может быть ограничено до 0,01°. Однако истинная или абсолютная точность датчика наклона (которая представляет собой суммарную общую погрешность) является комбинацией начальных значений смещения нуля и чувствительности датчика, линейности датчика, гистерезиса, повторяемости, а также температурного дрейфа нуля и чувствительности. Точность электронных датчиков наклона обычно находится в диапазоне от ±0,01° до 2° в зависимости от датчика и условий эксплуатации. Как правило, при комнатной температуре точность ограничивается характеристиками линейности датчика.

Технология датчиков

Датчики наклона и инклинометры создают искусственный горизонт и измеряют угловой наклон относительно этого горизонта. Они используются в камерах, системах управления полетом воздушных судов, автомобильных системах безопасности и специальных переключателях, а также для нивелирования платформ, индикации угла стрелы и в других приложениях, требующих измерения наклона. Важными характеристиками, которые следует учитывать при выборе датчиков наклона и инклинометров, являются диапазон углов наклона и количество осей. Оси обычно, но не всегда, взаимно перпендикулярны. Диапазон углов наклона определяет диапазон требуемого линейного выходного сигнала. Распространенные реализации датчиков наклона и инклинометров включают акселерометры, жидкостные емкостные, электролитические, с газовым пузырьком в жидкости и маятниковые. Технология датчиков наклона также нашла применение в видеоиграх. Yoshi's Universal Gravitation и Kirby Tilt 'n' Tumble основаны на механизме датчика наклона, встроенном в картридж. Игровые контроллеры PlayStation 3 и Wii также используют наклон для управления в видеоиграх. Инклинометры также применяются в гражданском строительстве, например, для измерения уклона местности под застройку. Некоторые инклинометры обеспечивают электронный интерфейс на основе CAN (Controller Area Network). Кроме того, эти инклинометры могут поддерживать стандартизированный профиль CANopen (CiA 410), что обеспечивает их совместимость и частичную взаимозаменяемость.

Инклинометр с гироскопом

Поскольку наклономеры измеряют угол объекта относительно силы тяжести, внешние ускорения, такие как резкие движения, вибрации или удары, будут вносить погрешности в измерения наклона. Для решения этой проблемы можно использовать гироскоп в дополнение к акселерометру. Любые из вышеупомянутых ускорений оказывают значительное влияние на акселерометр, но ограниченное – на измеряемую угловую скорость гироскопа. Алгоритм может объединить оба сигнала, чтобы максимально эффективно использовать данные каждого датчика. Таким образом, можно отделить истинный угол наклона от погрешностей, вызванных внешними ускорениями.