CN102661739B

CN102661739B - 一种光电式倾斜角传感器

Info

Publication number: CN102661739B
Application number: CN 201210150199
Authority: CN
Inventors: 孙晓明; 杨英波; 吴明海; 孙林; 刘克敬
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: CN102661739A

Abstract

本发明公开了一种光电式倾斜角传感器，包括壳体，以及位于壳体内的微处理器、放大电路、扫描电路、半球形铁皮、整形电路、驱动电路和摆锤总成，其中，微处理器分别与扫描电路、驱动电路和整形电路电路连接，整形电路与放大电路电路连接，放大电路与扫描电路电路连接；半球形铁皮固定在壳体上，半球形铁皮上方设有球面光敏二极管阵列，球面光敏二极管阵列与扫描电路电路连接；摆锤总成通过摆线与驱动电路连接。本发明的光电式倾斜角传感器，本传感器具有以下优点：倾斜角是通过各个光敏二极管的空间位置确定的，因此不存在非线性间题，不需要A/D转换直接输出数字信号，因此响应速度快，测量精度高，分辨率高，抗干扰能力强，可靠性高。

Description

一种光电式倾斜角传感器

技术领域

本发明涉及一种光电式倾斜角传感器。

背景技术

众所周知，传感器技术一直是个热门技术，倾角传感器，顾名思义，就是测量倾斜角度的传感器，只要需要知道倾斜角度的场合都可以使用倾角传感器测量角度，适合应用于工厂、山体、铁路、隧道、船业、机械、建筑业、桥梁铺设、水坝建设、汽车行业等，如：可以用来检测山体的倾斜角度、防止山体滑坡等自然灾害的发生，船业上一般使用倾角传感器来检测船体本身在运行过程中的倾斜情况，防止由于倾斜度过大而导致翻船现象。随着技术的进步，对倾斜角传感器的要求在不断提高。传统的倾斜角传感器多是基于应变、电感、电容原理或热平衡等基本物理规律制成的，其输出是模拟量，中间要经过放大，A/D转换等环节，同时还要考虑温度、电磁干扰的影响，因此，设计开发一个精度高、稳定性高的倾斜角传感器是件比较困难的工作。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种线性好、精度高、稳定性高的光电式倾斜角传感器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种光电式倾斜角传感器，包括壳体，以及位于壳体内的微处理器、放大电路、扫描电路、半球形铁皮、整形电路、驱动电路和摆锤总成，其中，微处理器分别与扫描电路、驱动电路和整形电路电路连接，整形电路与放大电路电路连接，放大电路与扫描电路电路连接，微处理器上连接有引线，壳体上设有引线孔，引线通过引线孔穿出壳体与电源及相关电路连接；半球形铁皮固定在壳体上，半球形铁皮上方设有球面光敏二极管阵列，球面光敏二极管阵列与扫描电路电路连接；摆锤总成通过摆线与驱动电路连接，摆锤总成由筒形质量块、激光发射器和环形磁铁组成，激光发射器位于筒形质量块内，环形磁铁固定在筒形质量块下部。

所述球面光敏二极管阵列是由设在半球形铁皮上的（半球形铁皮和球面光敏二极管阵列中间设有绝缘介质）、在球面上沿周向、径向均匀分布的多个光敏二极管排列而成，相当于刻度，工作时，用激光发射器去读这些刻度。

所述摆线为激光二极管引线。

工作原理为：在重力作用下摆锤总成总是力图保持铅锤方向，当壳体随被测物倾斜时，摆锤总成将相对壳体摆动一个角度（倾斜角ΔQ），这时激光点的位置发生改变（脱离原点）。通过扫描电路从原点“1-1”点（倾斜角为0的点）开始使所有光敏二极管依次接通，随着扫描的进行，每个光敏二极管的状态信息（是否被光照）由信号线依次输出，该信号经放大整形后送入微处理器，微处理器根据各点光强计算出激光点移动的距离即弧长（Δl=HN），从而可根据公式（ΔQ=Δl/r）计算出倾斜角。

本发明的光电式倾斜角传感器，为了提高摆锤的稳定性，在摆锤总成下面设有环形磁铁，通过该环形磁铁与半球形铁皮相互作用，起到阻尼作用，从而达到稳定摆锤的作用。

如果测量小角的倾斜角（小于5度），可用面阵CCD代替球面光敏二极管阵列，其分辨率可小于0.001度。

所述微处理器、放大电路、扫描电路、整形电路和驱动电路，均为现有技术中成熟的技术，在此不再赘述。

本发明的光电式倾斜角传感器，与传统的倾斜角传感相比，本传感器具有以下优点：倾斜角是通过各个光敏二极管的空间位置确定的（函数关系简明），因此不存在非线性间题，不需要A/D转换直接输出数字信号，因此响应速度快，测量精度高，分辨率高（光敏二极管之间的几何尺寸精度容易保证），抗干扰能力强，可靠性高。全方位（可测任意方向的倾斜角），测量范围大，没有机械转换机构从而减少了误差来源，受温度影响小，对光敏二极管性能要求低，结构简单。

附图说明

图1为本发明的光电式倾斜角传感器的结构示意图；

图2为图1中A-A线剖视图；

图3为图1中摆锤总成的结构示意图；

图4为本发明的光电式倾斜角传感器的电路原理示意图；

图5为本发明的光电式倾斜角传感器的计算示意图。

其中，1、微处理器；2、放大电路；3、扫描电路；4、球面光敏二极管阵列；5、半球形铁皮；6、引线；7、整形电路；8、驱动电路；9、摆线；10、摆锤总成；10a、筒形质量块；10b、激光发射器；10c、环形磁铁；11、壳体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

一种光电式倾斜角传感器，包括壳体11，以及位于壳体11内的微处理器1、放大电路2、扫描电路3、半球形铁皮5、整形电路7、驱动电路8和摆锤总成10，如图1、图2、图3、图4所示，其中，微处理器1分别与扫描电路3、驱动电路8和整形电路7电路连接，整形电路7与放大电路2电路连接，放大电路2与扫描电路3电路连接，微处理器1上连接有引线6，壳体11上设有引线孔，引线6通过引线孔穿出壳体11与电源及相关电路连接；半球形铁皮5固定在壳11上，半球形铁皮5上方设有球面光敏二极管阵列4，球面光敏二极管阵列4与扫描电路3电路连接；摆锤总成10通过摆线9与驱动电路8连接，摆锤总成10由筒形质量块10a、激光发射器10b和环形磁铁10c组成，激光发射器10b位于筒形质量块10a内，环形磁铁10c固定在筒形质量块10a下部。

所述球面光敏二极管阵列4是由设在半球形铁皮5上的（中间有绝缘介质）、在球面上沿周向、径向均匀分布的多个光敏二极管排列而成，相当于刻度，使用时，用激光发射器10b去读这些刻度，如图4所示，图中，n、m均表示正整数。

所述摆线9为激光二极管引线。

工作原理为：在重力作用下摆锤总成10总是力图保持铅锤方向，当壳体11随被测物倾斜时，摆锤总成10将相对壳体11摆动一个角度（倾斜角ΔQ），这时激光点的位置发生改变（脱离原点）。通过扫描电路3从原点“1-1”点（倾斜角为0的点）开始使所有光敏二极管依次接通，随着扫描的进行，每个光敏二极管的状态信息（是否被光照）由信号线依次输出，该信号经放大整形后送入微处理器1，微处理器1根据各点光强计算出激光点移动的距离即弧长（Δl=HN），从而可根据公式（ΔQ=Δl/r）计算出倾斜角，如图5所示，图中，Δl=HNΔQ=Δl/r，Δl为光点移动的弧长；H为两光敏二极管中心距离；N为Δl弧长内包含的光敏二极管个数；r为球面半径；ΔQ为倾斜角，1-1为倾斜角为0的点。角度单位：弧度。

本发明的光电式倾斜角传感器，为了提高摆锤的稳定性，在摆锤总成10下面设有环形磁铁10c，通过该环形磁铁10c与半球形铁皮5相互作用，起到阻尼作用，从而达到稳定摆锤的作用。

如果测量小角的倾斜角（小于5度），可用面阵CCD代替球面光敏二极管阵列4，其分辨率可小于0.001度。

Claims

1.一种光电式倾斜角传感器，其特征在于：包括壳体，以及位于壳体内的微处理器、放大电路、扫描电路、半球形铁皮、整形电路、驱动电路和摆锤总成，其中，微处理器分别与扫描电路、驱动电路和整形电路电路连接，整形电路与放大电路电路连接，放大电路与扫描电路电路连接，微处理器上连接有引线，壳体上设有引线孔，引线通过引线孔穿出壳体；半球形铁皮固定在壳体上，半球形铁皮上方设有球面光敏二极管阵列，球面光敏二极管阵列与扫描电路电路连接；摆锤总成通过摆线与驱动电路连接，摆锤总成由筒形质量块、激光发射器和环形磁铁组成，激光发射器位于筒形质量块内，环形磁铁固定在筒形质量块下部；所述球面光敏二极管阵列是由设在半球形铁皮上的、在球面上沿周向、径向均匀分布的多个光敏二极管排列而成。