CN101278172B - 倾斜度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有水平仪的倾斜度传感器，所述水平仪在盖板玻璃下方的外壳中具有一种液体和一个气泡，并且在盖板玻璃上方设置有光源。本发明的目的在于给出一种倾斜度传感器，利用它能够以高精度确定倾斜的方向和角度，而且它适用于配置有这种倾斜度传感器的设备的自动对准。按照本发明，上述任务由一种倾斜度传感器完成，其中在盖板玻璃(1.3)上方设置至少两个光接收机(2.4.1，2.4.2，...，2.4.4)，使得从光源(2.3)发出并在气泡(4)对中时在气泡(4)上全反射的光(L)可借助于所述的至少两个光接收机(2.4.1，2.4.2，...，2.4.4)被检测出来，并且在气泡(4)不对中的情况下借助于这些光接收机(2.4.1，2.4.2，...，2.4.4)可检测到不同的光量，而且光源(2.3)和光接收机(2.4)被设置在一个芯片基板(2.1)上。

Description

倾斜度传感器
本发明涉及一种具有水平仪的倾斜度传感器，所述水平仪在盖板玻璃下面的外壳中具有一种液体和一个气泡，其中在盖板玻璃上面设置有光源。
为了诸如测量仪器之类设备的水平或垂直定向，通常采用水平仪。其中在密封液体中的气泡指示水平仪的指向。此气泡总是处于液体的最高点上。水平仪如此与设备相连接，使得气泡只有在设备被对准的状态下才处于一个规定的水平仪位置上。对准状态可借助于水平仪以低廉的成本形成或重建。这里并不一定局限在设备的水平或垂直对准状态。原则上通过水平仪相应倾斜安装在设备上可以预先给定对准状态的任意倾斜角。
如果气泡处于规定位置上，则在本发明的意义下称其已经被“对中”。
为了更好的灵敏度，水平仪在其朝上的一侧具有一个内凹的盖板玻璃。灵敏度还依赖于盖板玻璃的曲率半径。
现有技术也已公开了水平仪可以电子读数的结构。为此通常采用光电原理。已知结构中大多数基于水平仪的透射，其中一个光源和一个光接收机被配置在水平仪的彼此相对的表面上，特别是在上表面和下表面上。
例如在DE3938848A1中描述了一种倾斜度传感器，它包含一个常规的管道水平仪，其外壳由一种透光的材料构成，并且其内室用液体填充，此液体包裹着一个气泡。在管道水平仪上方设置有一个光源，它照明管道水平仪的整个长度。光源发出的光穿过透明的外壳并通过同样也是光透明的液体以及气泡。在与光源相对的水平仪表面上形成一个不均匀的光分布，它在设置在其下方的光检测器上被分析。这种装置是昂贵的，占用很大的空间并且通常需要专门构造的水平仪。但是其主要缺点在于，由于气泡和液体的很小的传输差别所导致的被分析的光斑的较小的亮度差别以及由光学分界面上的反射和散射引起的模糊的光斑轮廓。因此所获得的光斑位置具有很大的不可靠性。
DE3634244A1公开了一种具有一个射线发射器和一个射线检测器的光电倾斜度传感器，其中射线发射器和射线检测器被设置在一个光反射介质上方，并且通过光反射液体上的反射、最好是通过水银镜面上的反射来获得倾斜度。液体被封闭在一个盒中，这个盒只被液体填充并且只是部分地填充。不可能用这种结构检测气泡位置。
此外，JP10227635公开了一种倾斜度传感器，其中一个光源和一个光接收机被设置在水平仪的同一侧，即在盖板玻璃的上面。这种倾斜度传感器采用全反射原理。当水平仪水平对准时，即在本发明意义上气泡“对中”时，从光源照射到气泡上的光在光密的盖板玻璃与光疏的气泡之间的分界面处全反射到光接收机方向。借助于光接收机可以检测在对中情况下全反射的光。如果气泡已“对中”，则没有全反射发生，从而没有光照射到光接收机上。这样可以根据所检测到的光确定气泡是否已“对中”。这用于对设备的水平、垂直或其它预先规定的定向进行是或否的判断。这种倾斜度传感器具有以下缺点：不能确定倾斜的方向和角度。配置有这种倾斜度传感器的设备不可能进行自动对准。
本发明的目的在于给出一种本发明开始处所述类型的倾斜度传感器，用它可以以高精度确定倾斜的方向和角度，并且它适用于对配置有这种倾斜度传感器的设备进行自动对准。
上述任务按照本发明由具有如权利要求1所述特征的倾斜度传感器来完成。
本发明的具有优点的实施例是从属权利要求的主题。
本发明建议在盖板玻璃上面设置一个光源和至少两个光接收机，使得从光源发出并在气泡对中时在气泡上全反射的光可借助于所述的至少两个光接收机被检测出来，其中在气泡不对中时借助于这些光接收机可检测出不同的光量。借助于两个或最好是更多个光接收机可以以高精度确定气泡的位置，并从而不仅确定了偏离对中位置的角度，而且还确定了偏离的方向。这特别可用于对配置有本发明所述倾斜度传感器的设备进行自动对准。用两个光接收机只能在一维中确定倾斜方向。光源和光接收机被排列在一个共用的芯片基板上。通过这种方式能够以较低的成本实现紧凑的结构形式。
在一个优选的实施方式中，围绕光源设置了至少四个光接收机，使得从光源发出并在气泡对中时在气泡上全反射的光可借助于所述的至少四个光接收机被检测出来。这四个光接收机最好被平面构造，使得它们覆盖一个平面的所有象限。四个光接收机可以实现以高精度在二维中确定倾斜方向。采用数目更多的光接收机，例如8个，它们覆盖一个平面的所有八分之一区域，则可以进一步精确地在二维中确定倾斜方向。
在气泡对中时将光源放在气泡中心上方可以实现紧凑的倾斜度传感器结构和高测量精度。
在一个优选的实施例中，芯片基板最好以其功能面安装在盖板玻璃上或者安装在一块玻璃基板上，它与盖板玻璃一起构成一个光学单元。这些替代方案能够以低成本实现由功能所决定的光源光接收机单元与气泡的间隔。
如果光源与每个光接收机之间的距离基本一致，则可以用低成本确定倾斜度。如果光接收机在面积和灵敏度方面具有一致的特性，则在气泡发生特定角度的偏转时，光接收机对所有偏转方向提供对称的光量信号。
在以下所述实施方式中沿一虚拟直线的偏转的测量可以有很高的精度：其中至少另一个光接收机相对于光源被设置为与第一光接收机基本相对。这样，彼此相对的光接收机的对称信号被最大程度地区分开。在具有四个光接收机的实施方式中，它们最好两个一对地彼此相对设置。这样，两个虚拟偏转直线的叠加可被用于充分确定气泡的二维偏转。
在一个特殊的实施例中，在一个平行于盖板玻璃的平面中的光接收机沿着虚拟的、通过光源和相应光接收机前进的直线被分成段，其中全反射光可借助于这些段独立于其它的段被检测出来。特别是在光接收机围绕光源旋转对称的结构下，光接收机可以被径向地分成段。这样可以提高倾斜度确定的精度。
利用下述实施例可以获得更好的精度，在此实施例中在光源下方并且与光源有间隔地设置一个光吸收区，其直径小于气泡的直径，其中它不限制适当的光的全反射。用这种方法避免了由非全反射的光引起的散射。
这里具有优点的是，所述光吸收区被设置在盖板玻璃下面。设置在盖板玻璃的下侧与光源之间也是可以的。光吸收区被安置得越高，其直径必须选择得越小，这样来自光源的光仍可落到对中的气泡上。
在一个具有优点的实施方式中，外壳在其内侧具有一个光吸收面。这样避免了非全反射的透过液体的光的散射。
下面借助附图详细说明本发明的实施例。附图中：
图1示出一个倾斜度传感器的横截面；
图2示出其芯片基板的顶视图；以及
图3示出光源与光接收机之间的射线行程，以说明工作原理。
在所有图中相互对应的部件具有相同的附图标记。
图1和图2示出根据本发明的倾斜度传感器。它由一个水平仪1和一个测量模块2共同组成。
盒式水平仪形式的水平仪1具有一个外壳1.1，所述外壳在内侧具有一个光吸收表面1.2。这种表面1.2尤其是可通过涂层来产生。水平仪具有12毫米的直径。外壳1.1的上侧面用一盖板玻璃1.3封闭，盖板玻璃在内表面上呈凹形弯曲，并且具有折射系数nG＝1.5。这种弯曲在图中没有示出。这种弯曲符合目的地匹配于水平仪1的灵敏度要求。盖板玻璃1.3在其下侧面上具有一个光吸收区1.4，在这个光吸收区中盖板玻璃1.3被涂黑。例如具有折射系数nF＝1.33的水作为包含一个气泡4的液体3被填入到外壳1.1中，其中所述液体的折射系数为nF。气泡4包含水饱和的空气并具有折射系数nL＝1.00。可以具有优点地用一种液体3代替水，这种液体在玻璃有更小的附着力。在各种情况下折射系数有以下关系：nG＞nF＞nL。在图中所示倾斜度传感器的状态下气泡4是对中的。在倾斜时气泡侧向朝外壳边缘移动，变得不对中了。
测量模块2具有一个带有表面沟槽2.2的芯片基板2.1，在沟槽中集成有一个LED形式的光源2.3和四个基本上沿着一个平面的、圆环段形状的光检测器形式的光接收机2.4.1，2.4.2，2.4.3，2.4.4。覆盖二维空间的四个象限的圆环段的内边缘与光源2.3相隔2.5毫米。沟槽2.2阻止了光源2.3对光接收机2.4的直接串扰。芯片基板2.1以芯片倒装工艺功能面向下地设置在一个作为透明层的玻璃基板2.5上。至光源2.3的外部连接端2.6或至光接收机2.4的电导线被设置在玻璃基板2.5上，并通过连接区(英文为“bumps”)与它们相连接。光源2.3的连接端为清楚起见而没有被示出。由接触而导致的芯片基板2.1与玻璃基板2.5之间的空隙中具有填充材料，其折射系数和热特性对应于玻璃基板2.5的折射系数和热特性。
在作为替代的实施例中，也可以在芯片基板2.1的背面设置具有相应导线的载体，用它将光源2.3和光接收机2.4通过底板电气连接。
玻璃基板2.5与水平仪1的盖板玻璃1.3粘合在一起。由这两块玻璃1.3、2.5组合而成的光单元具有1.6毫米的厚度。代替在盖板玻璃1.3的下侧，也可以在玻璃基板2.5与盖板玻璃1.3之间设置一个光吸收区。
在特定的实施例中，可以完全省去玻璃基板2.5。芯片基板2.1以其设置有光源2.3和光接收机2.4的功能面直接安放在盖板玻璃1.3上，使得由功能所决定的光源2.3与气泡4之间的间距只由盖板玻璃1.3形成。
由功能所决定的间距尤其是根据光源2.3及光接收机2.4的排列以及气泡4的大小而不同。它限定了水平仪上可能的入射角圆锥体，并从而限定了全反射光的扇状展开程度。因此由功能所决定的间距与光接收机2.4距光源2.3的距离及光接收机2.4的面积和灵敏度有关。所述间距最好选择在1.0毫米至2.0毫米的范围内，特别是选择为1.6毫米。
在图1中简要示出了从光源2.3到两个彼此相对的光接收机2.4的一些射线行程，这些射线行程基于在这里对中的气泡4上的全反射而形成。容易看出，在气泡4移开的情况下两个光接收机2.4的被照射的面积以及由这两个光接收机给出的两个光量信号发生变化。当光接收机2.4在径向上被分成段并从而从每个光接收机2.4给出多个光量信号时，这种气泡4偏转的角度可以特别精确地确定。但是在所示方式中采用成对地彼此相反的不分段的光接收机2.4也可以有高测量精度，因为对每个偏转方向有至少两个互补的积分信号可用。
图3详细示出在气泡4的一侧上的射线行程。在图3a中气泡4处于对中位置。在图3b中气泡4在图示平面上偏向接收机2.4.3的方向。在图3c中气泡4偏向相反的方向。
光源2.3发出的光线L在光吸收区1.4的入射范围内被吸收，从而消除了由不希望的反射、例如在水平仪1的底部上的反射引起的散射。出现在气泡4上的光线L的大部分在这个光疏介质(nG＞nL)上被全反射，并照射到光接收机2.4.3上。过于陡峭的入射光线L不经历全反射，而是穿过气泡4直至在水平仪1的底部被吸收。在气泡4上全反射的临界角εL在此情况下由下式求出：
εL＝arcsin nL/nG＝42.8°。
对于入射到盖板玻璃1.3与液体3之间的分界面上的光线L，由于它们的折射系数差别较小(nG＞nF＞nL)，全反射的临界角要大得多：εL＝arcsin nF/nG＝62.5°。因此其大部分光线进入液体3中并穿过液体，例如在外壳底部被吸收，只有一小部分被全射，最终照射到芯片基板2.1上，落到光接收机2.4.3之外。因此它们不会被光接收机2.4.3检测到。这使得借助于光接收机2.4的光量信号测量气泡4的位置成为可能。测量精度也可以这样来提高：在彼此相对的光接收机上的光量大致减少相同的大小。这样，由4个光接收机2.4不仅能够以高精度确定偏转的角度，而且也能确定偏转的方向。
为了简单地分析光量信号，可以具有优点地利用彼此相对的光接收机2.4的光量信号之差。围绕着气泡4的对中位置，它具有一个宽的线性范围，其可用于以高精度确定位置，从而确定倾斜度。
附图标记列表
1  水平仪
1.1  外壳
1.2  光吸收表面
1.3  盖板玻璃
1.4  光吸收区
2  测量模块
2.1  芯片基板
2.2  沟槽
2.3  光源
2.4  光接收机
2.4.1  第一光接收机
2.4.2  第二光接收机
2.4.3  第三光接收机
2.4.4  第四光接收机
2.5  玻璃基板
2.6  连接端子
3  液体
4  气泡
L  光线

Claims (11)

1.一种具有水平仪(1)的倾斜度传感器，所述水平仪在盖板玻璃(1.3)下方的外壳(1.1)内具有一种液体(3)和一个气泡(4)，其中在盖板玻璃(1.3)上方设置有光源(2.3)，其特征在于，在盖板玻璃(1.3)上方设置至少两个光接收机(2.4.1，2.4.2，...，2.4.4)，使得从光源(2.3)发出并在气泡(4)对中时在气泡(4)上全反射的光(L)能借助于所述的至少两个光接收机(2.4.1，2.4.2，...，2.4.4)被检测出来，其中在气泡(4)不对中的情况下借助于这些光接收机(2.4.1，2.4.2，...，2.4.4)能检测到不同的光量，并且光源(2.3)和光接收机(2.4)被设置在一个芯片基板(2.1)上。
2.如权利要求1所述的倾斜度传感器，其特征在于，设置了至少四个光接收机(2.4)，它们围绕着光源(2.3)排列，使得从光源(2.3)发出并在气泡(4)对中时在气泡(4)上全反射的光(4)能借助于所述的至少四个光接收机(2.4.1，2.4.2，...，2.4.4)被检测出来。
3.如权利要求1或2所述的倾斜度传感器，其特征在于，光源(2.3)在气泡(4)对中情况下被设置在气泡(4)中心的上方。
4.如权利要求1所述的倾斜度传感器，其特征在于，光源(2.3)和光接收机(2.4)被设置在一个共用的芯片基板(2.1)上。
5.如权利要求1所述的倾斜度传感器，其特征在于，芯片基板(2.1)以其功能面设置在盖板玻璃(1.3)上或者设置在一个与盖板玻璃(1.3)一起构成一个光学单元的玻璃基板(2.5)上。
6.如权利要求1所述的倾斜度传感器，其特征在于，光源(2.3)与每个光接收机(2.4)之间的距离基本一致。
7.如权利要求1所述的倾斜度传感器，其特征在于，相对于光源(2.3)，其它的光接收机(2.4.2，...，2.4.4)基本上与第一个光接收机(2.4.1)相对地设置。
8.如权利要求1所述的倾斜度传感器，其特征在于，光接收机(2.4)在一个平行于盖板玻璃(1.3)的平面中沿着通过光源(2.3)和相应光接收机(2.4.1，2.4.2，...，2.4.4)前进的虚拟直线被分成段，其中全反射的光能借助这些段独立于相应的其它段地被检测。
9.如权利要求1所述的倾斜度传感器，其特征在于，在光源(2.3)下面并与光源(2.3)有间隔地设置一个光吸收区(1.4)，所述光吸收区的直径小于气泡(4)的直径，其中所述光吸收区不限制适合全反射的光。
10.如权利要求9所述的倾斜度传感器，其特征在于，所述光吸收区(1.4)被设置在盖板玻璃(1.3)下面。
11.如权利要求1所述的倾斜度传感器，其特征在于，外壳(1.1)在内侧具有一个光吸收表面(2.6)。
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