CN101236080A - 倾角传感器及其感测方法 - Google Patents

Abstract

一种倾角传感器及其感测方法，是将一光源所产生的光束，朝向水平液位计的液位线投射，并使用设置在水平液位计另一侧的光传感器，来接收通过液位线的光束，以输出代表所接收的光束强度的多个电子信号。前述电子信号输入至处理单元，以侦测水平液位计的液位线的位置变化，藉以计算取得倾斜角度。

Description

倾角传感器及其感测方法

技术领域

本发明涉及一种倾角传感器，且特别是有关于一种利用侦测液位线的变化，来计算倾斜角度的倾角传感器及其感测方法。

背景技术

水平气泡(Vial)是广泛地使用在许多量测仪器中，以作为调整仪器置放水平度的一种水平感测组件。使用水平气泡来量测水平度，虽然具有组件小型、易于取得及成本低廉等优点，但也因为水平度的量测，必须仰赖使用者的观测，才能判断装置水平气泡的待测物的水平度，故量测所得的水平度，除了会因为使用者的不同而有不同的观测结果，使得误差十分难以控制外，更无法满足现今自动化仪器的功能需求。

因此，各种不同的电子式倾角传感器乃应运而生。例如，有一种倾角传感器是在装置电解液的容器中放入多个电极，以侦测电解液的电导度变化，来判断待测物的水平度。此种倾角传感器虽然可以搭配控制电路，来自动调整待测物的水平度，但因为电解液在使用一段时间后，会因为化学反应而释放出氢气，使得电极侦测的阻抗飘移，进而产生量测误差。

为了改善此一缺失，中国台湾公告第I230250号发明专利，乃提出一种非接触式电子水平传感器，其是利用光源照射水平气泡，再以电荷耦合装置(ChargeCoupled Device，简称CCD)或互补式金氧半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，简称CMOS)组件等光传感器，来接收光线的照射，以侦测气泡的位置，并据以判断装置水平气泡的待测物是否倾斜。

另外，中国台湾第95142934号发明专利申请案，则提出一种电子式水平传感器及其感测方法，其是将一光源所产生的光束，以一定的角度朝向水平液面计的液面投射，并使用光感测单元，来侦测由水平液面计的液面所反射的光束，再依据所侦测的光束的位置，来输出代表水平传感器的倾斜角度的电子信号。

前述的电子式水平传感器，所使用的原理不尽相同，可达成的功效亦有长短，故可提供使用者因应不同的需求来选择。因此，如能提供一种与前述水平传感器具有不同原理与特性的倾角传感器，以因应自动化量测时代的多样化需求，乃为使用者的殷切期盼。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用侦测液位线的变化，来计算倾斜角度的倾角传感器及其感测方法，以满足使用者更多样化的设计需求。

为达上述及其它目的，本发明提供一种倾角传感器，适用于侦测待测物的倾斜角度，此倾角传感器包括水平液位计、光源、光传感器与处理单元。其中，水平液位计为装置有液体的容器所构成，因此，容器内即可形成维持水平的液位线。光源是设置在水平液位计的一侧，用以产生朝向液位线投射的光束。光传感器是设置在与光源相反的水平液位计的另一侧，用以接收通过液位线的光束，并输出代表所接收的光束强度的多个电子信号。而处理单元则耦接光传感器，用以接收前述的电子信号，以侦测液位线的位置，并依据所侦测的液位线的位置变化，来计算倾斜角度。

本发明另提供一种倾角感测方法，适用于侦测待测物的倾斜角度，此倾角感测方法包括下列步骤：首先提供可在容器内维持水平的一液位线；再以一光束在容器的一侧朝向液位线投射；以及在容器的另一侧，接收通过液位线的光束，以便侦测液位线的位置，并依据所侦测的液位线的位置变化，来计算倾斜角度。

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特以较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1是显示根据本发明较佳实施例的水平液位计的立体图；

图2是显示根据本发明第一实施例的一种倾角传感器的立体图；

图3是显示根据本发明第一实施例的一种倾角传感器的操作示意图；

图4是显示根据本发明第二实施例的一种倾角传感器的操作示意图；

图5是显示根据本发明第三实施例的一种倾角传感器的操作示意图；

图6是显示根据本发明第三实施例的一种倾角传感器的另一角度操作示意图；

图7是显示根据本发明第四实施例的一种倾角传感器的操作示意图；

图8是显示根据本发明第五实施例的一种倾角传感器的操作示意图。

附图标记说明：11水平液位计；111液体；112容器；113气体；115、215、415、515、715、815液位线；20、40、50、70、80倾角传感器；21光源；211光束；22、42、52、72、82光传感器；221、722感测单元；222电子信号；23处理单元；231模拟/数字转换电路；232微处理器；233内存；421、422、521、522线数组影像传感器。

具体实施方式

请参考图1所示，其为根据本发明较佳实施例的水平液位计的立体图。图中，此水平液位计11为装置有液体111的容器112所构成，容器112较佳地为玻璃或塑料所制成的圆柱形的密闭容器。当然，容器112也可以因应需求而制作成其它不同的型式。

如图所示，容器112的部分空间用来容纳液体111，其余空间则为抽真空或充满例如是空气的气体113，或亦可注入与液体111不会相互溶和的另一种液体。因此，容器112内便形成有可维持水平的液位线115。

请参考图2与3所示，其分别为根据本发明第一实施例的一种倾角传感器的立体图与操作示意图。图中，此倾角传感器20除了包括如图1的水平液位计11外，也包括分别设置于水平液位计11方向相反的两侧边的光源21与光传感器22，以及耦接光传感器22的处理单元23。光源21例如是可以使用发光二极管(LED)，处理单元23则例如是包括模拟/数字转换电路231、微处理器232与内存233。

水平液位计11的液体111较佳地是选自甲醇、乙醇或乙醚与水的混合溶液，以便提高水平液位计11的可使用温度范围。光源21是用以产生朝向液位线115投射的光束211，而光传感器22则可以使用例如是电荷耦合装置(Charge CoupledDevice，简称CCD)或互补式金氧半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，简称CMOS)等的线数组影像传感器(Linear Sensor)。

如图所示，光传感器22会接收通过液位线115的光束211，并输出代表所接收的光束211强度的多个电子信号222。也就是说，光传感器22的每一感测单元221，都会输出与所接收的光束211强度成比例的模拟电子信号222。这些模拟电子信号222经由模拟/数字转换电路231转换为数字信号后，再由微处理器232读取并存入内存233中，以便微处理器232可以依据这些电子信号222，来侦测液位线115的位置，并根据所侦测的液位线的位置变化，来计算倾斜角度。

例如，当倾斜传感器20随着待测物(未绘示)的移动而倾斜时，液位线115可能会变换至图3中虚线所示的液位线215的位置。此时，微处理器232即可依据所侦测的液位线215的位置变化，来计算倾斜角度θ，如下式所示：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{s}{r}............\left(1\right)$

其中，s为所侦测的液位线215的位置P’与倾角传感器20在水平位置时所侦测的液位线115的位置P间的高度差，此一高度差可以液位线215的位置P’与液位线115的位置P间的光传感器22的感测单元221数目，乘以每一光传感器22的感测单元221的高度即可得。而r则为光传感器22投影在液位线115上，也就是位置P时，与液位线115的中心点O间的距离。亦即，s为倾斜的液位线215的线段OP′在纵轴上的投影PP′的长度，而r则为倾斜的液位线215的线段OP′在横轴上的投影OP的长度。

请参考图4所示，其为根据本发明第二实施例的一种倾角传感器的操作示意图。本实施例的倾角传感器40与第一实施例的倾角传感器20的结构大致均相同，惟为了消除液位线115受温度的变化而升降的影响，此倾角传感器40的光传感器42，是包括相互平行、且与液位线115的中心点O具有相同距离的两个线数组影像传感器421与422。因此，式(1)中倾角传感器40的液位线115与倾角传感器40倾斜时所侦测的液位线415的高度差，即可以两个线数组影像传感器421与422所侦测的液位线415的位置差来计算，而不受倾角传感器40在水平时，液位线115的高度变化的影响。

请参考图5所示，其为根据本发明第三实施例的一种倾角传感器的操作示意图。本实施例的倾角传感器50与第一实施例的倾角传感器20的结构亦大致均相同，惟为了扩大倾角传感器50得以侦测的倾斜角度θ的范围，此倾角传感器50的光传感器52，是包括相互垂直、且与液位线115的中心点O具有相同距离的两个线数组影像传感器521与522。因此，当倾角传感器50的倾斜角度太大，使得液位线115逸出线数组影像传感器521与522其中的一的侦测范围时，液位线115也将进入另一线数组影像传感器521或522的可侦测范围(如图6所示)。

请参考图7所示，其为根据本发明第四实施例的一种倾角传感器的操作示意图。本实施例的倾角传感器70也具有与前述实施例相近的结构，惟此倾角传感器70的光传感器72，已不再使用一维的线数组影像传感器，而是代的以二维数组影像传感器。

二维数组影像传感器因为具有排列为二维数组的多个感测单元722，可以用来侦测液位线115的实际位置，故可依据所侦测的液位线115的实际位置，来计算获得其倾斜角度。例如，当倾角传感器70倾斜而使得液位线115变换至虚线的液位线715位置时，则可以取光传感器72所感测的液位线715上的任意两点间的线段为斜边，并以涵盖斜边的矩形在横轴与纵轴上的感测单元722的数目，来计算倾斜的液位线715的线段分别在横轴与纵轴上的投影长度，进而计算获得其倾斜角度θ。

请参考图8所示，其为根据本发明第五实施例的一种倾角传感器的操作示意图。本实施例的倾角传感器80也具有与前述实施例相近的结构，惟此倾角传感器80的光传感器82，是以四象限光传感器来取代。

四象限光传感器通常是包括分布在平面上的每一象限的4个光感测单元(如图8中分别分布在第1、2、3与4象限上的光感测单元1、2、3与4)，每一光感测单元则依据所接收的光的强度，而输出代表光强度的电流或电压信号。假设图8中分布在第1、2、3与4象限上的4个光感测单元所侦测到的光强度分别为I1、I2、I3与I4，则根据以下(2)或(3)两式计算所得的Y或X值，其大小均会与倾角传感器80的倾斜角度θ成一定的关系，故可依其关系来计算取得倾角传感器80的倾斜角度θ的值。

$Y=\frac{(I_1+I_2)-(I_3+I_4)}{I_1+I_2+I_3+I_4}............\left(2\right)$

$X=\frac{(I_1+I_4)-(I_2+I_3)}{I_1+I_4+I_2+I_3}............\left(3\right)$

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种更动与润饰，亦属本发明的范围。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定为准。

Claims (10)

1. 一种倾角传感器，适用于侦测一待测物的一倾斜角度，其特征在于，包括：

一水平液位计，为装置有一液体的一容器所构成，在所述容器内形成维持水平的一液位线；

一光源，设置于所述水平液位计的一侧，产生朝向所述液位线投射的一光束；

一光传感器，设置于与所述光源相反的所述水平液位计的另一侧，接收通过所述液位线的所述光束，并输出代表所接收的所述光束强度的多个电子信号：以及

一处理单元，耦接所述光传感器，接收所述电子信号，以侦测所述液位线的位置，并依据所侦测的所述液位线的位置变化，来计算所述倾斜角度。

2. 如权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于：所述容器为玻璃或塑料所制成的圆柱形密闭容器。

3. 如权利要求2所述的倾角传感器，其特征在于：所述容器的半数空间装置有所述液体，所述液体是选自甲醇、乙醇或乙醚与水的混合溶液，未装置所述液体的其余空间则充满气体。

4. 如权利要求2所述的倾角传感器，其特征在于：所述光传感器包括一线数组影像传感器，而所述处理单元计算所述倾斜角度θ的公式为： $\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{s}{r},$ 其中，s为所侦测的所述液位线的位置与倾角传感器在水平位置时所侦测的所述液位线的位置间的高度差，而r则为所述线数组影像传感器投影在所述液位线时，与所述液位线中心点间的距离。

5. 如权利要求4所述的倾角传感器，其特征在于：所述光传感器更包括另一线数组影像传感器，设置在与所述线数组影像传感器相互平行，且距离所述液位线中心点同样为r的位置。

6. 如权利要求4所述的倾角传感器，其特征在于：所述光传感器更包括另一线数组影像传感器，设置在与所述线数组影像传感器相互垂直，且距离所述液位线中心点同样为r的位置。

7. 如权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于：所述光传感器为一二维数组影像传感器。

8. 如权利要求1所述的倾角传感器，其特征在于：所述光传感器为一四象限光传感器。

9. 一种倾角感测方法，适用于侦测一待测物的一倾斜角度，其特征在于，包括下列步骤：

提供可在一容器内维持水平的一液位线；

以一光束在所述容器的一侧朝向所述液位线投射；以及

在所述容器的另一侧，接收通过所述液位线的所述光束，以侦测所述液位线的位置，并依据所侦测的所述液位线的位置变化，来计算所述倾斜角度。

10. 如权利要求9所述的倾角感测方法，其特征在于：计算所述倾斜角度θ的公式为： $\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{s}{r},$ 其中，s是倾斜的所述液位线的线段在纵轴上的投影长度，而r则为倾斜的所述液位线的线段在横轴上的投影长度。

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