CN101375128B - 多轴泡瓶装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多轴泡瓶装置，包括一泡瓶，其具有限定具有弯曲上表面的液体腔的瓶体，和一些液体，其部分填充该腔。该液体在液体腔的上部限定气泡，该气泡根据瓶的取向沿上表面移动。置于中心处的光源，位于泡瓶上方，将光导入腔中，以及四个光传感器，置于泡瓶上方，并围绕置于中心处的光源设置，检测由位于液体腔下方的反射器反射的光。第一对传感器沿第一轴被置于光源的相对两侧，而第二对传感器沿第二轴被置于光源的相对两侧。第二轴与第一轴基本上垂直。

Description

多轴泡瓶装置

背景技术

不同类型的水准瓶(level vial)被用于广泛的多种控制系统中，其中机器元件的取向被测量并控制。典型地，该瓶被固定于机器元件上。该瓶随着该元件移动且提供一个或多个电输出，该电输出指示水准瓶和机器元件相对于至少一个轴的取向。例如，这种水准瓶可以形成系统的一部分，该系统控制激光束发射器的取向和由该发射器产生的光束的取向。在这种类型的发射器中优选包括两个水准瓶，每一个瓶都提供对该发射器相对于一对基本上正交的轴中的一个的取向的指示。 

通常，水准瓶包括玻璃或塑料瓶壳，该瓶壳限定细长的液体腔。该腔具有弯曲的上表面，该上表面向下倾斜，远离该瓶的中心。该腔被液体部分填充，从而由该液体在该腔中陷入空气泡。由于该水准瓶相对于基本水平的轴倾斜，垂直于腔的延长方向，所以瓶中的气泡穿过腔的弯曲表面向更高的两端移动。气泡的移动的程度是瓶相对于水平线的取向的指示。不同的布置被用于检测气泡的位置并产生电信号，该电信号取决于水准瓶的取向，从而指示机器元件的取向。 

一种类型的水准瓶包括不导电的瓶壳，通常由玻璃制得，该瓶壳限定细长的弓形腔，该腔基本向下向着它的相对端弯曲。一些导电液体被提供于该腔中。这例如，种液体可以具有酮成分。一对端电极与该腔的上部电连通，与其相对端相邻，且向着所述腔的中心部分延伸。 

普通的电极沿着腔的下表面在其整个长度上基本上延伸。腔中的空气泡升至该腔的最高部。应当理解的是，由于该瓶在一个方向上倾斜，从一个端电极通过导电液体到该普通电极的通路的电阻抗会增加，而从另一个端电极到该普通电极的通路的电阻抗会减少。当该瓶在相反方向倾斜时，端电极至普通电极的电阻抗以相反的方式改变。 当该水准瓶布置很好地工作时，需要将连接导线置于水准瓶的上方和下方。这又意味着所有的相关部件不能都被安装到一个单独的电路板上。此外，需要两个这样的水准瓶以估计机器元件相对于两个水平轴的取向。 

其它水准瓶使用光学照相(photo-optical)布置以检测液体腔中的气泡的位置。在一个这样的布置中，光源发出光束，该光束穿过该腔且由一对与瓶的相对末端相邻的光电检测器检测。由于该气泡向瓶的一端移动，到达光电检测器的光的量发生改变，且来自光电检测器的相对电输出信号提供对瓶的倾斜程度的指示。该水准瓶布置具有一缺点，即需要位于瓶的上方和下方的部件以便确定光束的位置。这种布置的缺点是，它需要光源和光电检测器、以及它们的相关的电连接被同时提供于水准瓶的上方和下方。与上面描述的其它类型的水准瓶一样，这意味着所有的相关部件不能被安装于一个单独的电路板上。此外，需要两个这种的水准瓶以估计机器元件相对于两个水平轴的取向。 

从而，可以看出，对于水准瓶结构存在这样的需求，其中所有的电子部件可以被安装于一个单独的电路板上，且其中相对于两个基本上正交的轴的倾斜可由单个水准瓶测出。 

发明内容

根据本发明构造的多轴泡瓶(bubble vial)装置满足了这些需求。该装置包括：泡瓶，其具有透明瓶体，该瓶体限定具有弯曲上表面的液体腔；以及一些液体，其部分填充该腔。该液体在该腔的上部中限定了气泡，该气泡根据该瓶的取向沿上表面移动。置于中心处的(centrally positioned)光源，位于泡瓶上方，将光导入到腔中。四个光传感器被置于泡瓶上方，并围绕置于中心处的光源布置。第一对光传感器沿第一轴被置于光源的相对侧上。第二对光传感器沿第二轴被置于光源的相对侧上。第二轴基本上垂直于第一轴。反射器被置于液体腔的下方，从而从光源发出的光穿过气泡和液体，并被反射器反射回光传感器。由第一对传感器检测到的光的相对水平指示第一轴相对于水平线的取向，而由第二对传感器检测到的光的相对水平指示第二轴相对于水平线的取向。 

该反射器包括反射镜反射器，置于泡瓶下方。该反射器可包括具有反射表面的反射镜，该反射镜过粘合剂被粘合固定于泡瓶上，所述粘合剂的折射率与制得泡瓶的材料的折射率基本上相同。 

该反射器可包括反射涂层，该反射涂层位于液体腔的与弯曲表面相对的表面上的腔中。与弯曲表面相对的表面基本上是平坦的。 

置于中心处的光源包括发光二极管。四个光传感器中的每一个都包括光电二极管。 

液体腔在弯曲表面和相对表面之间的侧面是光吸收性的，从而减少了外部光反射。可以遮蔽外部光以保护泡瓶，外部光可能会将误差引入到对该装置沿着第一轴和第二轴的测量的取向中。反射器可包括涂敷于泡瓶的外侧底面上的反射涂层。 

根据本发明的多轴取向测定装置使用了这种多轴泡瓶装置。该多轴取向测定装置包括：具有限定具有弯曲上表面的液体腔的透明瓶体的泡瓶；和部分填充腔的一些液体，以在腔的上部中限定气泡。该气泡沿上表面根据瓶的取向移动。置于中心处的光源被安装于泡瓶上方，将光导入到腔中，光传感器被置于泡瓶上方，并沿着圆周环绕置于中心处的光源布置。第一对传感器沿第一轴置于光源的相对侧上，而第二对传感器沿第二轴置于光源的相对侧上。第二轴相对于第一轴基本上垂直。每一个传感器根据接收到的光提供电输出信号。反射器被置于液体腔下方，使得从光源发出的光穿过气泡和液体并被反射器反射至光传感器。第一电路，响应来自第一对传感器的电输出信号，用于根据由第一对传感器检测到的光的相对水平提供对泡瓶在第一轴的方向上的取向的指示。第二电路，响应来自第二对传感器的电输出信号，用于根据由第二对传感器检测到的光的相对水平提供对泡瓶在第二轴的方向上的取向的指示。 

因此，本发明的一个目的是提供一种多轴泡瓶装置，以及包括这 种泡瓶装置的多轴取向测定装置，其中泡瓶装置的取向可以由单个装置测定，且其中电连接器均被置于该装置的单独一侧，以便与印刷电路板相连。根据下面的描述、附图和所附的权利要求，本发明的其它目的和优点将变得清楚。 

图1是根据本发明的多轴泡瓶装置的透视图； 

图2是图1的多轴泡瓶装置的平面图； 

图3A是多轴泡瓶装置大致沿图2中的3-3线的横截面图； 

图3B是与图3A类似的横截面图，示出了根据本发明的多轴泡瓶装置的另一可选结构； 

图4是与瓶装置相关的电路的示意图； 

图5A和5B是瓶装置的略图，示出了其操作模式； 

图6、7、和8是示出了由瓶装置提供的输出信号的视图；图9是与图2类似的多轴泡瓶装置的平面图，其中传感器采用不同于图2所示的方式布置。 

本发明涉及一种多轴泡瓶装置，以及使用这种泡瓶装置的多轴取向测定装置。该气泡装置10被示于图1、2和3A中。该装置包括具有瓶体14的泡瓶12，该瓶体限定具有弯曲上表面18的液体腔16。如将变得清楚的，该泡瓶体14的至少限定弯曲表面18的上部是透明的。一些液体20部分地填充腔16，将气泡22陷入腔16的上部中。气泡22根据瓶的取向沿上表面18移动。这被示意性地示于图5A和5B中，在下面将更详细地描述。 

泡瓶装置10还包括置于中心处的光源，例如发光二极管24，其被安装于位于以26表示的印刷电路板上的泡瓶12上方。发光二极管24将光导入腔16中。 

四个光传感器30、32、34和36被置于泡瓶12上方，且被布置成沿着圆周环绕置于中心处的光源24。四个光传感器30、32、34和36中的每一个都可包括光电二极管。第一对传感器30和32沿第一轴38置于光源24的相对侧上，而第二对传感器34和36沿第二轴置于光源24的相对侧上。第二轴40基本上垂直于第一轴38。所有的光电二极管30、32、34和36可以被安装于以26表示的印刷电路板上。如果需要，泡瓶12还可以通过粘合剂或其他安装结构安装于电路板26上。 

反射器42被置于液体腔16下方，从而从光源24发出的光穿过气泡22和液体20，并且被反射器42反射至光传感器30、32、34和36。如将在下面解释的，由第一对传感器30、32检测到的光的相对水平指示第一轴38相对于水平线的取向，而由第二对传感器34、36检测到的光的相对水平指示第二轴40相对于水平线的取向。反射器42可以是具有反射表面44的反射镜。优选地，将该反射镜通过粘合剂46粘合固定于泡瓶12上，该粘合剂46的折射率与制得泡瓶体14的材料的折射率基本相同。因而，当光穿过瓶体14和粘合剂46时，出现很少的折射。优选地，与弯曲表面18相对的表面50基本上是平坦的。作为替代，反射器42可以包括处于泡瓶12的外侧底面52上的反射涂层。 

图3B是示出了反射器的另一可选结构的视图，其中多轴泡瓶装置的与图3A的实施例对应的部件以对应的附图标记标注。然而，在图3B的实施例中，反射器42’是位于液体腔16的与弯曲表面18相对的表面50上的腔16中的反射涂层。腔16的表面50基本上是平坦的。图3A和3B的实施例以相同的方式起作用，因此在下面将一起描述。 

液体腔16在弯曲上表面18和相对表面50之间的侧面58优选涂敷有光吸收涂层，或者使其吸收光，从而减少外部光反射。此外，可以遮蔽外部的环境光以保护泡瓶12，这些光会将误差引入到对第一轴和第二轴的测量中。这种遮蔽可采取适当地设置在瓶12的外表面或内表面上的涂层的形式，或者采取遮蔽环境光以保护瓶12的内部的额外的外部结构的形式。 

图5A和5B示意性地示出了多轴泡瓶装置操作的方式。应当了解，这些附图不是按比例绘制的，而是仅仅用于帮助解释本发明而给出的。图5A示出以基本上水平的取向的多轴泡瓶装置。大致圆锥形的光束被发光二极管24向下投射。该圆锥形光束的外缘以光线60和 62示出。该光束在气泡22和液体20之间的界面处发生折射。在光束向下穿过液体20并被反射镜42向上反射的时候，该光束继续发散。最后光穿过上瓶体，并照射在光线60的左边的光电检测器30的部分以及在光线62的右边的光电检测器32的部分。尽管光在向上穿过液体20通过瓶12然后穿过空气到达光电检测器30和32的时候会发生反射，但是因为检测器30和32与瓶12之间的间隔极小，该折射对被照射的光电检测器的部分的影响也是极小的。如应当注意的，由于光电检测器30和32的被照射的部分是相等的，来自这两个光电检测器30和32的电输出将基本上相等。这表明瓶12基本上是沿着轴38水平的，该轴在光电检测器30和32之间延伸。 

图5B示出了沿轴38倾斜瓶12的效应，即，降低了光电检测器30并提高了光电检测器32。如将被立即注意到的，光电检测器30的被照射的部分增加了(在光线60的左边的区域)，而同时光电检测器32的被照射的部分减少了(在光线62的右边的区域)。从而，如图所示，当多轴泡瓶装置被倾斜时，光电检测器30的电输出信号的电平超出光电检测器32的电输出信号的电平。 

参照图4，其示出了第一差动放大器电路64和第二差动放大器电路66。差动放大器电路的输出被提供给微处理器68。第一放大器64响应来自第一对传感器30和32的线70、72、74和76上的电输出信号。根据由第一对传感器30和32检测到的光的相对水平，第一放大器64对泡瓶在第一轴38的方向上的取向提供指示。第二放大器66响应来自第二对传感器34和36的线78、80、82和84上的电输出信号。根据由第二对传感器34和36检测到的光的相对水平，第二放大器66对泡瓶在第二轴40的方向上的取向提供指示。然后，放大器64和66在线86和88上的输出可以被提供给微处理器68，用于以简单的方式对泡瓶装置的取向进行计算。 

图6至8示出了装置在不同的取向下在线86和88上的输出；其中，86’是来自差分放大器64的线86上的输出信号，88’是来自差分放大器66的线88上的输出信号。图6示出了当装置仅沿轴38倾斜 时线86上的输出86’是如何改变的。应当注意，在这一过程中线88上的输出88’基本上保持为零。类似地，图8示出了当装置仅沿轴40倾斜时线88上的输出88’是如何改变的。应当注意，在这一过程中线86上的输出86’基本上保持为零。最后，应当注意，当装置在沿着与轴38和轴40均成45度的轴倾斜时线86和88上的输出电压是如何改变的。由于线86和88上的输出是基本上独立的，很少会有串扰，可以以简单的方式确定沿着介于轴38和40之间的轴发生倾斜的方向和量。 

应当了解，本发明的多轴泡瓶装置相对于现有技术中的这种类型的装置具有很多优点。本发明提供对装置在两个基本上正交的轴中的任一个或两者上的倾斜的检测。此外，对泡位置的检测是通过置于装置同侧的光源和检测器实现的。这允许将所有的部件安装到一个单独的印刷电路板上，如图3A和3B所示，以便简化结构和封装。此外，本发明减少了用于实现取向检测功能的部件的数目。 

还应当了解，尽管此处说明的实施例使用了传感器，这些传感器被布置为检测沿着一对基本上正交的轴的倾斜，但是，如果需要，可以改变传感器对的位置，以便直接检测沿着其他的、不正交的轴的倾斜。此外，应当了解，如果希望检测仅在与检测器对成一条直线的单独的一个轴上的倾斜，本发明的泡瓶可以仅包括一对检测器。 

参照图9，其示出了本发明的另一可选的实施例。图9与图2类似，在这方面，相同的附图标记被用于表示对应的结构。泡装置10包括泡瓶12，泡瓶12具有限定具有弯曲上表面的液体腔16的瓶体14。与图1至3的实施例一样，泡瓶体14的至少上部限定了透明的弯曲表面18。一些液体部分填充腔16，将气泡22陷入腔16的上部。泡22根据瓶的取向沿着上表面18移动，与在前面讨论的关于图1-3的实施例一样。泡瓶装置10还包括置于中心处的光源，例如发光二极管24，其被安装于印刷电路板上的泡瓶12的上方。以在图1至3的实施例中所示出的方式，发光二极管24将光导入到腔16中。 

奇数个光传感器(在图9中，示出为3个光传感器90、92和94) 被置于泡瓶12上方，并被布置成沿着圆周环绕置于中心处的光源24。三个传感器90、92和94中的每一个都可以包括光电二极管。传感器90沿轴100设置，传感器92沿轴102设置，传感器94沿轴104设置。所有的传感器都可以被安装于印刷电路板上，图中未示出。如果需要，泡瓶12还可以通过粘合剂或其它安装结构安装于电路板上。 

与图1至3的实施例一样，反射器被置于液体腔16的下方，使得从光源24发出的光穿过泡22和液体20并被反射器反射至光传感器90、92和94。由传感器90、92和94检测到的光的相对水平指示三个轴中的每一个相对于水平线的取向。基本上，每一个传感器的输出与另外两个传感器的输出之和之间的差值被用于确定沿这样一个轴的水平，该轴穿过第一个传感器且介于另外两个之间。下面的公式示出了对三个轴100、102和104进行计算的形式。 

从而，“轴上”传感器与另外两个传感器之和进行比较以提供对沿轴倾斜的指示，其中该轴在另外两个传感器之间延伸。任何奇数个传感器都可以以这样的布置来使用，以提供沿着相等数目的轴的倾斜的信息。 

尽管已经为了说明本发明示出了一些代表性实施例和细节，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以对此处所公开的发明进行不同的改变，该范围由所附的权利要求限定。 

Claims (33)

1.一种多轴泡瓶装置，包括：

泡瓶，具有瓶体，该瓶体限定具有弯曲上表面的液体腔，

一些液体，部分填充所述液体腔，所述液体在所述液体腔的上部中限定气泡，该气泡沿所述上表面根据所述泡瓶的取向移动，

置于中心处的光源，位于所述泡瓶上方，将光导入到所述液体腔中，

四个光传感器，置于所述泡瓶上方，并沿着圆周环绕所述置于中心处的光源布置，该四个光传感器包括第一对光传感器和第二对光传感器，第一对光传感器沿第一轴置于所述光源的相对侧上，而第二对光传感器沿第二轴置于所述光源的相对侧上，所述第二轴相对于所述第一轴基本上垂直，和

置于所述液体腔下方的反射器，使得从所述光源发出的光穿过所述气泡和所述液体并被所述反射器反射至所述光传感器，从而，由所述第一对光传感器检测到的光的相对水平指示所述第一轴相对于水平线的取向，而由所述第二对光传感器检测到的光的相对水平指示所述第二轴相对于水平线的取向。

2.根据权利要求1所述的多轴泡瓶装置，其中所述反射器包括置于所述泡瓶下方的反射镜反射器。

3.根据权利要求2所述的多轴泡瓶装置，其中所述反射器包括具有反射表面的反射镜，所述反射镜通过粘合剂被粘合固定于所述泡瓶上，所述粘合剂的折射率与制得所述泡瓶的材料的折射率基本上相同。

4.根据权利要求1所述的多轴泡瓶装置，其中所述反射器包括反射涂层，该反射涂层位于所述液体腔的与所述弯曲表面相对的表面上的所述液体腔中。

5.根据权利要求4所述的多轴泡瓶装置，其中与所述弯曲表面相对的所述表面基本上是平坦的。

6.根据权利要求1所述的多轴泡瓶装置，其中所述置于中心处的光源包括发光二极管。

7.根据权利要求1所述的多轴泡瓶装置，其中所述四个光传感器中的每一个都包括光电二极管。

8.根据权利要求1所述的多轴泡瓶装置，其中所述液体腔在所述弯曲上表面和所述相对表面之间的侧面是光吸收性的，从而减少了外部光反射。

9.根据权利要求8所述的多轴泡瓶装置，其中外部光被遮蔽以保护所述泡瓶，所述外部光可能会将误差引入到对所述第一轴和所述第二轴的测量的取向中。

10.根据权利要求1所述的多轴泡瓶装置，其中所述反射器包括涂敷于所述泡瓶的外侧底面上的反射涂层。

11.一种多轴取向测定装置，包括：

泡瓶，具有瓶体，该瓶体限定具有弯曲上表面的液体腔，

一些液体，部分填充所述液体腔，所述液体在所述液体腔的上部中限定气泡，该气泡沿所述上表面根据所述泡瓶的取向移动，

置于中心处的光源，位于所述泡瓶上方，将光导入到所述液体腔中，

光传感器，置于所述泡瓶上方，并沿着圆周环绕所述置于中心处的光源布置，所述光传感器包括第一对光传感器和第二对光传感器，第一对光传感器沿第一轴置于所述光源的相对侧上，而第二对光传感器沿第二轴置于所述光源的相对侧上，所述第二轴相对于所述第一轴基本上垂直，每一个所述传感器根据接收到的光提供电输出信号，

置于所述液体腔下方的反射器，使得从所述光源发出的光穿过所述气泡和所述液体并被所述反射器反射至所述光传感器，

第一电路，响应来自所述第一对光传感器的电输出信号，用于根据由所述第一对光传感器检测到的光的相对水平提供对所述泡瓶在所述第一轴的方向上的取向的指示，和

第二电路，响应来自所述第二对光传感器的电输出信号，用于根据由所述第二对光传感器检测到的光的相对水平提供对所述泡瓶在所述第二轴的方向上的取向的指示。

12.根据权利要求11所述的多轴取向测定装置，其中所述反射器包括置于所述泡瓶下方的反射镜反射器。

13.根据权利要求12所述的多轴取向测定装置，其中所述反射器包括具有反射表面的反射镜，所述反射镜通过粘合剂被粘合固定于所述泡瓶上，所述粘合剂的折射率与制得所述泡瓶的材料的折射率基本上相同。

14.根据权利要求11所述的多轴取向测定装置，其中所述反射器包括反射涂层，该反射涂层位于所述液体腔的与所述弯曲表面相对的表面上的所述液体腔中。

15.根据权利要求14所述的多轴取向测定装置，其中与所述弯曲表面相对的所述表面基本上是平坦的。

16.根据权利要求11所述的多轴取向测定装置，其中所述置于中心处的光源包括发光二极管。

17.根据权利要求11所述的多轴取向测定装置，其中所述光传感器中的每一个都包括光电二极管。

18.根据权利要求11所述的多轴取向测定装置，其中所述液体腔在所述弯曲上表面和所述相对表面之间的侧面是光吸收性的，从而减少了外部光反射。

19.根据权利要求18所述的多轴取向测定装置，其中外部光被遮蔽以保护所述泡瓶，所述外部光可能会将误差引入到对所述第一轴和所述第二轴的测量的取向中。

20.根据权利要求11所述的多轴取向测定装置，其中所述反射器包括涂敷于所述泡瓶的外侧底面上的反射涂层。

21.一种泡瓶装置，包括：

泡瓶，具有瓶体，该瓶体限定具有弯曲上表面的液体腔，

一些液体，部分填充所述液体腔，所述液体在所述液体腔的上部中限定气泡，该气泡沿所述上表面根据所述泡瓶的取向移动，

置于中心处的光源，位于所述泡瓶上方，将光导入到所述液体腔中，

多个传感器，置于所述泡瓶的上方，并沿着圆周环绕所述置于中心处的光源布置，和

置于所述液体腔下方的反射器，使得从所述光源发出的光穿过所述气泡和所述液体并被所述反射器反射至所述光传感器，从而由所述传感器检测到的光的相对水平指示所述泡瓶装置的取向。

22.根据权利要求21所述的泡瓶装置，其中所述反射器包括置于所述泡瓶下方的反射镜反射器。

23.根据权利要求22所述的泡瓶装置，其中所述反射器包括具有反射表面的反射镜，所述反射镜通过粘合剂被粘合固定于所述泡瓶上，所述粘合剂的折射率与制得所述泡瓶的材料的折射率基本上相同。

24.根据权利要求21所述的泡瓶装置，其中所述反射器包括反射涂层，该反射涂层位于所述液体腔的与所述弯曲表面相对的表面上的所述液体腔中。

25.根据权利要求24所述的泡瓶装置，其中与所述弯曲表面相对的所述表面基本上是平坦的。

26.根据权利要求21所述的泡瓶装置，其中所述置于中心处的光源包括发光二极管。

27.根据权利要求21所述的泡瓶装置，其中所述光传感器中的每一个都包括光电二极管。

28.根据权利要求21所述的泡瓶装置，其中所述液体腔在所述弯曲上表面和所述相对表面之间的侧面是光吸收性的，从而减少了外部光反射。

29.根据权利要求28所述的泡瓶装置，其中外部光被遮蔽以保护所述泡瓶，所述外部光可能会将误差引入到对所述第一轴和所述第二轴的测量的取向中。

30.根据权利要求21所述的泡瓶装置，其中所述反射器包括涂敷于所述泡瓶的外侧底面上的反射涂层。

31.根据权利要求21所述的泡瓶装置，其中置于所述泡瓶上方的所述多个传感器沿着圆周基本上是等间隔的，且其中所述多个传感器包括奇数个传感器。

32.根据权利要求31所述的泡瓶装置，其中所述多个传感器包括三个传感器。

33.根据权利要求21所述的泡瓶装置，其中置于所述泡瓶上方的所述多个传感器沿着圆周基本上是等间隔的，其中所述多个传感器包括偶数个传感器，且其中所述多个传感器被分组成多个传感器对。

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