倾斜监测仪作为一种重要的结构健康监测设备，主要用来监测边坡路基、房屋建筑、桥梁等结构体的倾斜变化情况 [1] 。倾斜监测仪具有分辨率高、测量角度范围大、易于集成等优点 [2] ，广泛应用于工程建筑施工、危房监测、桥梁监测和地质灾害评估等领域 [3] - [5] 。

地质灾害中泥石流、山体滑坡是严重且常见的灾害，应用高效的监测技术对于提前预警和防范这些灾害至关重要 [6] 。传统的地质灾害监测方法，如大地形变位移测量、裂缝位移测量和宏观地质调查法，观测误差较大，预警信息滞后，时效性差 [7] 。随着MEMS (微电机系统)技术和通信技术的快速发展，加速度传感器的精度、稳定性和抗干扰能力得到了显著提升。MEMS加速度传感器因其小尺寸、低功耗和高集成度而在倾斜监测仪设计中广泛应用 [8] 。此外倾斜监测仪的设计越来越倾向于智能化，包括实时数据处理、异常状态报警和远程监控功能。通过集成先进的信号处理和模式识别算法，倾斜监测仪能够更智能地识别和响应倾斜事件 [9] 。本文的研究基于加速度计的倾斜监测仪，采用低功耗设计和物联网技术，将其固定在预埋于山体中的支架上，通过长期监测山体的形变状态，可以监测出山体滑坡前的一些细微变化，并在发生滑坡时可实时上报告警信息，能为地质灾害监测和预警提供较为可靠的数据支撑。

倾斜监测仪一般由加速度传感器及相关数据采集、传输电路等部件等组成。其中加速度传感器用来测量被测对象的倾斜状况，有单轴、双轴、三轴几种类型。单轴加速度传感器只含有一个敏感轴；双轴加速度传感器中含有两个敏感轴，且两轴互相垂直；三轴加速度传感器中含有三个敏感轴，它们互相正交。

对于采用三轴加速度传感器的倾斜监测仪而言，其角度测量的示意图如 图1 所示，它是通过测斜监测仪内置的加速度传感器某一敏感轴上的重力分量大小来确定被测物体的倾斜状况。

如 图1 所示，倾斜监测仪通过加速度测量倾角的基本原理是利用重力加速度与对应轴之间的三角函数关系，按照平行四边形法则获取，对应的倾斜角计算关系如公式(1)所示 [10] 。

$\{\begin{array}{c}\theta =\arctan \left(g_x/\sqrt{g_y^2+g_z^2}\right)\\ \psi =\arctan \left(g_y/\sqrt{g_x^2+g_z^2}\right)\\ \varphi =\arctan \left(\sqrt{g_x^2+g_y^2}/g_z\right)\end{array}$(1)

其中，θ表示水平面与加速度计x轴之间的夹角，ψ表示水平面与加速度计y轴之间的夹角，φ表示重力矢量与z轴之间的夹角。当位于x和y轴的0 g以及z轴的1 g初始位置时，所有计算的角度均为0˚。

该倾斜监测仪在户外条件下运行了7个月，经过实测，该设备完好。如 图4 所示，云平台显示数据按设置的周期定时上报，监测数据正常，电池电量一直保持在100%。通过倾斜模拟现场滑坡故障，该设备平均报警响应时间为28秒(含唤醒启动、联网、显示等整个预警流程)，设备的功耗、响应时间、通信距离及可靠性等多个方面均达到了地质灾害监测中对山体滑坡倾斜监测的需求。

针对倾斜监测仪的测量精度也进行了测试。在实验室环境下，将倾斜监测仪固定在分度台上，实验

由于倾斜监测仪主要用于户外场景，不同季节下环境温度变化较大，内置的加速度传感器输出值受温度影响较大，需对其测量值进行温度补偿，以减小测量误差。为进行试验验证，采用高低温箱设置不同温度对倾斜监测仪进行测试，设置温度区间为25℃~65℃。倾斜监测仪输出的x轴与y轴角度值(分别为Ax和Ay)与温度的曲线如 图4 所示。

由 图5 可看出，倾斜监测仪位置保持不动，在温度补偿前，测量的x轴与y轴角度值随着环境温度的升高逐渐降低，环境温度的变化产生了较大的测量误差，x轴角度值从0.1˚变化到−0.8˚，y轴角度值从−0.1˚变化到−2.5˚。通过二项式拟合，温度补偿后的角度值Ax和Ay见 表2 。根据 表2 可知，经过温度补偿后，倾斜监测仪测量的角度值对温度依赖性大幅降低，补偿后的角度值Ax和Ay，其测量误差均低于±0.1˚。

Table 1. Angles and error values measured by tilt monitoring instrument

表1. 倾斜监测仪测量的倾角值与误差值

图5. 倾斜监测仪在温度补偿前后的x轴与y轴角度值变化曲线

续表

针对地质灾害，特别是山体滑坡的倾斜状态监测，本文以无线通信和低功耗作为主要设计考量，基于三轴加速度传感器开发了一种倾斜监测仪。实验结果表明，该倾斜监测仪在功耗、响应时间、通信距离及可靠性等方面均达到了地质灾害监测中对山体滑坡倾斜监测的需求，在测量精度方面，在−20˚~20˚倾斜角度范围内，倾斜监测仪的平均示值误差为0.031˚。在25℃~65℃的温度范围内，经过误差补偿后，该监测仪仍能提供高精度的测量结果，测量误差均低于±0.1˚，满足地质灾害在线监测的精度要求，为成本敏感的地质灾害监测场合提供了一种低成本的解决方案，应用前景广泛。