傾斜傳感器及其工作方法技術

本發明專利技術涉及傾斜傳感器及其工作方法，其包括：將一光源發出的光線覆蓋一透光容器內透光液體的自由液面，從該自由液面透射或反射的光線經過一聚光透鏡后在一圖像感光裝置的感光面上形成一光斑，與圖像感光裝置相連的運算處理裝置檢測所述光斑的中心點在圖像感光裝置的感光面上的位置方位和位移量得出傾斜傳感器的傾斜方向和傾角值。本發明專利技術的感光裝置獲得的圖像信息，能通過圖像處理相關算法等獲得更優質的圖像信息，且計算圖像中心方法簡單，運算處理裝置的運算速度快，使其可靠性增加，結構簡便使其成本低。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種傾斜傳感器，尤其是一種基于圖像傳感器的。
技術介紹
現有技術中，檢測測量儀的傾角采用氣泡管，這種氣泡管內部封入氣泡，并形成電極，再通過測量靜電電容來測定傾角。這種氣泡管的外周由玻璃構成，因而要求較高的機械加工精度，此外為了測量兩個方向的傾角，兩軸線方向各要一個氣泡管，使用成本較高。同時氣泡管易受環境溫度變化的影響，必須對溫度變化進行修正。另一種傾斜傳感器是使用暗場條紋讓出射光平行通過，使其透過反射鏡讓暗場條紋轉向，其透光容器使透過反射鏡轉向的條紋反射，使其條紋成像并通過感光裝置感光，再計算其傾角。其典型代表是日本T0PC0N，在全站儀中使用此傾斜傳感器，專利申請號為 97110370. 4，公開號為CN1167907。此方法對暗場條紋的配置要求高，其條紋中心線需等距配置，條紋寬度需沿正交方向變化地配置，且需通過兩種不同的方法來求X軸和Y軸方向的傾角，其成本高，裝置復雜，且計算較復雜。第三種傾斜傳感器是使用一個底部為平面玻璃、內盛乙醚乙醇混合液的圓水準器，其下方安置透鏡使LED光通過透鏡平行透過圓水準器，根據光折射原理，光射到氣泡中心大部分的光在氣泡表面被折射不能到達硅光電二極管而形成氣泡陰影，由于其氣泡陰影位置是隨著儀器傾斜而變動，故根據硅光電二極管上產生的相應電壓差便可以計算出雙軸傾角。其典型代表是日本SOKKIA公司的測量儀，此傾斜傳感器專利號為 JP2007218722(A)。此傾斜傳感器雖體積小，但對支架的不對稱性、材料、溫度等因素不能忽視，若工作溫度變化超過7°C，則需要重新調整零點值，而“零點值”的軟件設置是由觀測人員決定的，存在視覺偏差且其調整的精確度也不夠高。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是提供一種結構簡單、可靠性和精度較高、成本較低且計算簡便的。為解決上述技術問題，本專利技術提供的傾斜傳感器，包括透光容器1、聚光透鏡2、 光源3、圖像感光裝置5和運算處理裝置6 ；透光容器1內設有具有自由液面的透光液體，光源3發出的光線適于覆蓋所述透光容器1內的所述液面，從該液面透射或反射的光線適于經過所述聚光透鏡2后在所述圖像感光裝置5的感光面上形成一光斑，與所述圖像感光裝置5相連的運算處理裝置6適于計算所述光斑的中心點在所述感光面上的位置變化，以計算出傾斜傳感器的傾斜方向和傾斜角度。所述光源3為發出散射光線的點光源或發射出平行光線的面光源；當所述光源3 采用所述點光源時，光源3與所述液面之間設有用于將所述散射光線轉換為平行光線的第二聚光透鏡7。上述傾斜傳感器的工作方法，其包括將一光源3發出的光線覆蓋一透光容器1內透光液體的自由液面，從該自由液面透射或反射的光線經過一聚光透鏡2后在一圖像感光裝置5的感光面上形成一光斑，與圖像感光裝置5相連的運算處理裝置6檢測所述光斑的中心點在圖像感光裝置5的感光面上的位置方位得出傾斜傳感器的傾斜方向；若光源3與所述聚光透鏡2光軸的間距為e，當傾斜傳感器的傾角為θ時，所述光斑的中心點在所述感光面上的偏移量為d，則根據公式d=F · tan ( α +2 θ ) -F · tana可計算出所述傾角θ，其中F為聚光透鏡焦距，tan α =e/F。本專利技術具有的技術效果(1)本專利技術的傾斜傳感器，使光源經過反射鏡反射，通過聚光透鏡將到達透光容器的自由液面，并使光反射而成像，再由圖像感光裝置采集，然后由運算處理裝置根據感光裝置的圖像信息，通過圖像處理相關算法計算其液體成像中心，運算其傾斜角度和傾斜方向。可作為高精度傾斜傳感器、可靠性和精度較高、成本較低且計算簡便。(2)本專利技術的液體采用具有合適粘性的液體，此透光容器具有自由表面，表面總是保持水平狀態，提高了本專利技術的測試精度。(3)本專利技術的感光裝置獲得的圖像信息，能通過圖像處理相關算法等獲得更優質的圖像信息，且計算圖像中心方法簡單，運算處理裝置的運算速度快，使其可靠性增加，結構簡便使其成本低。附圖說明為了使本專利技術的內容更容易被清楚的理解，下面根據的具體實施例并結合附圖， 對本專利技術作進一步詳細的說明，其中圖1為本專利技術實施1中的傾斜傳感器的光學結構示意圖； 圖2為本專利技術實施1中的傾斜傳感器發生傾斜時的光路示意圖； 圖3為實施例2中的傾斜傳感器的光學結構示意圖； 圖4為實施例3中的傾斜傳感器的光學結構示意圖； 圖5為實施例4中的傾斜傳感器的光學結構示意圖； 圖6為實施例5中的傾斜傳感器的光學結構示意圖； 圖7為實施例6中的傾斜傳感器的光學結構示意圖； 圖8為實施例7中的傾斜傳感器的光學結構示意圖。具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本專利技術進行詳細說明 實施例1 如圖1，本實施例的傾斜傳感器包括依次上下相對設置的透光容器1、聚光透鏡2和光源3，以及圖像感光裝置5和運算處理裝置6。透光容器1內充填的液體為硅油。(其他具有相同折射率的液體均可，如酒精等) 硅油具有自由表面，因而其表面總是保持水平的狀態，光照射到硅油的液面后直接進行平面反射。光源3為LED，也可以使用其他點光源。聚光透鏡2使光源3出射的光平行。圖像感光裝置5是對經反射鏡4反射的像感光并變換為電信號使用的裝置，本實施例使用的感光裝置為CMOS圖像傳感器，也可采用CXD圖像傳感器。運算處理裝置6是包含CPLD和單片機的運算處理裝置，對全體加以控制，計算 CMOS圖像感光裝置上投影發生的位移，并計算相應傾角用的裝置。透光容器1的液面發射光線在圖像感光裝置5的感光面上所成的圖像為類似光斑的圖像，即通過圖像二值化處理后液面區域為白色的光斑，根據圖像處理可以計算出圖像的邊緣，以此計算圖像中心；或者直接根據此光斑的像素平均也可計算出白斑的中心，即液面的中心。傾斜傳感器若整體傾斜，由于透光容器1的自由表面仍保持水平，此時根據傾斜度的不同，液面的形狀會發生變形，導致液面的中心會發生相應的偏移。工作時，光源3發出的散射光線經過聚光透鏡2后轉換為平行光，該平行光適于覆蓋透光容器1內的透光液體的自由液面，從該自由液面反射的光線經過聚光透鏡2后在圖像感光裝置5的感光面上形成一光斑，與圖像感光裝置5相連的運算處理裝置6檢測所述光斑的中心點在圖像感光裝置5的感光面上的位置方位可知傾斜傳感器的傾斜方向。一種傾斜傳感器的工作方法，其特征在于將一光源3發出的光線覆蓋一透光容器1內透光液體的自由液面，從該自由液面透射或反射的光線經過一聚光透鏡2后在一圖像感光裝置5 的感光面上形成一光斑，與圖像感光裝置5相連的運算處理裝置6檢測所述光斑的中心點在圖像感光裝置5的感光面上的位置變化，根據所述光斑的中心點在所述感光面上的位置變化方位可知該傳感器傾斜方向。如圖2所示，位于聚光透鏡2的焦平面上的發光點A與聚光透鏡2的光軸的間距為e，即AO為e，聚光透鏡2的焦距為F，該發光點A發射出的光線經聚光透鏡2后變成平行光線發射到液面，由自由液面反射后經聚光透鏡2成像于焦平面AC處。當所述自由液面與所述光軸垂直時，該成像點與發光點A關于光軸對稱，即圖中 B點。當傳感器的傾角為θ時，則所述光斑的中心點移至C點位置。此時，各角度關系如圖所示，可以得知所述光斑的中心點在所述感光面上的位移量BC的計算公式為BC=F -tan (α +2 θ ) -F · tan α，其中tan α =e/F。使用時運算處理裝置6上連本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種傾斜傳感器，其特征在于包括：透光容器（１）、聚光透鏡（２）、光源（３）、圖像感光裝置（５）和運算處理裝置（６）；透光容器（１）內設有具有自由液面的透光液體，光源（３）發出的光線適于覆蓋所述透光容器（１）內的所述液面，從該液面透射或反射的光線適于經過所述聚光透鏡（２）后在所述圖像感光裝置（５）的感光面上形成一光斑，與所述圖像感光裝置（５）相連的運算處理裝置（６）適于計算所述光斑的中心點在所述感光面上的位置變化，以計算出傾斜傳感器的傾斜方向和傾斜角度。

【技術特征摘要】
1.一種傾斜傳感器，其特征在于包括透光容器(1)、聚光透鏡(2)、光源(3)、圖像感光裝置(5)和運算處理裝置(6)；透光容器(1)內設有具有自由液面的透光液體，光源(3 )發出的光線適于覆蓋所述透光容器(1)內的所述液面，從該液面透射或反射的光線適于經過所述聚光透鏡(2)后在所述圖像感光裝置(5)的感光面上形成一光斑，與所述圖像感光裝置(5)相連的運算處理裝置(6)適于計算所述光斑的中心點在所述感光面上的位置變化，以計算出傾斜傳感器的傾斜方向和傾斜角度。2.根據權利要求1所述的傾斜傳感器，其特征在于所述光源(3)為發出散射光線的點光源或發射出平行光線的面光源；當所述光源(3)采用所述點光源時，光源(3)與所述液面之間設有用于將所述散射光線轉換為平行光線的第二聚光透鏡7。3.一種傾斜傳感器的工作方法，其特征在于將一光源(3)發出的光線覆蓋一透光容器(1)內透光液體的自由液面，從該自由液面透射或反...

【專利技術屬性】
技術研發人員：巢海步，唐劍宇，
申請(專利權)人：常州市新瑞得儀器有限公司，
類型：發明
國別省市：32