CN104848841B - 一种倾斜传感器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种倾斜传感器及其工作方法。该传感器包括内设有透光液体的透光容器，聚光透镜和一对对称设于透光容器两侧的检测组件；各检测组件包括：光源、感光装置；各检测组件中的感光装置的输出端与一中央处理器相连；各检测组件工作时，光源输出的光线照射在透光液体的液面上、并经过所述液面反射或折射后穿过聚光透镜、最后在感光装置的感光面上形成一光斑；在相同的倾斜状态下，当所述透光容器内的透光液体因温度变化而使液位发生上升或下降时，两路检测组件测得的倾角θ1和θ2分别增大和减小△θ，但θ1和θ2的绝对值之和不变，使最终获得倾斜传感器的倾斜角度不受温度变化的影响。

Description

一种倾斜传感器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种倾斜传感器，尤其是一种基于图像传感器的倾斜传感器及其工作方法。

背景技术

现有技术中，检测测量仪的倾角采用气泡管，这种气泡管内部封入气泡，并形成电极，再通过测量静电电容来测定倾角。这种气泡管的外周由玻璃构成，因而要求较高的机械加工精度，此外为了测量两个方向的倾角，两轴线方向各要一个气泡管，使用成本较高。同时气泡管易受环境温度变化的影响，必须对温度变化进行修正。

另一种倾斜传感器是使用暗场条纹让出射光平行通过，使其透过反射镜让暗场条纹转向，其透光容器使透过反射镜转向的条纹反射，使其条纹成像并通过感光装置感光，再计算其倾角。其典型代表是日本TOPCON，在全站仪中使用此倾斜传感器，专利文献公开号为：CN1167907A。此方法对暗场条纹的配置要求高，其条纹中心线需等距配置，条纹宽度需沿正交方向变化地配置，且需通过两种不同的方法来求X轴和Y轴方向的倾角，其成本高，装置复杂，且计算较复杂。

第三种倾斜传感器是使用一个底部为平面玻璃、内盛乙醚乙醇混合液的圆水准器，其下方安置透镜使LED光通过透镜平行透过圆水准器，根据光折射原理，光射到气泡中心大部分的光在气泡表面被折射不能到达硅光电二极管而形成气泡阴影，由于其气泡阴影位置是随着仪器倾斜而变动，故根据硅光电二极管上产生的相应电压差便可以计算出双轴倾角。其典型代表是日本SOKKIA公司的测量仪，此倾斜传感器专利文献号为：JP2007218722(A)。此倾斜传感器虽体积小，但对支架的不对称性、材料、温度等因素不能忽视，若工作温度变化超过7℃，则需要重新调整零点值，而“零点值”的软件设置是由观测人员决定的，存在视觉偏差且其调整的精确度也不够高。

而现有的用于测量倾斜的设备中利用光的折射或反射原理，其内部设有透明或镜面的液体，比如乙醇或水银等等。液体的液面由于重力的因素一直处于水平，而当设备处于非水平状态时，原来的折射光或发射光必然因为折射角度或反射角度改变而在感光设备上产生一定的位移，利用该位移和设备内的已知的光源与液面间的距离，即可根据三角函数计算出设备当前的倾斜角度。比如中国专利文献CN10206114A和专利CN102261906A均为此类产品。

但是，这样的设备显然存在的问题是,当温度产生变化时，液体与容器的热胀冷缩率不同，所以液体的液面会产生高度变化，这样，就会导致测量的误差存在,当设备处于水平面时,就会显示出有倾角的存在。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种结构简单、可靠性和精度较高、成本较低且计算简便，并能不受温度影响的倾斜传感器及其工作方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种技术方案是提供一种倾斜传感器，其包括透光容器，所述透光容器内设有具有自由液面的透光液体，还包括聚光透镜和一对对称设于所述透光容器的中心线两侧的检测组件；各检测组件包括：光源、感光装置；各检测组件中的感光装置的输出端与一中央处理器相连；各检测组件工作时，所述光源输出的光线照射在所述透光液体的液面上、并经过所述液面反射或折射后穿过所述聚光透镜、最后在所述感光装置的感光面上形成一光斑；所述中央处理器计算各感光面上的所述光斑的中心点在各自感光面上的位置变化，以计算出倾斜传感器的倾斜方向和倾斜角度。

各检测组件中的光源为发出散射光线的点光源或发射出平行光线的面光源；当所述光源是点光源时，各光源与所述液面之间分别设有用于将对应光源的散射光线转换为平行光线的透镜。

为利于提高检测的精确度，所述透光容器的底板为厚度一致的平面板。

上述倾斜传感器的工作方法包括：各光源输出的光线分别照射在所述液面上，并各自经过所述液面反射或折射后分别穿过相应的聚光透镜，最后分别在相应的感光装置上形成相应的光斑；所述中央处理器根据光斑分别计算两个光斑的中心点；其中，若所述各检测组件中的光源与透镜光轴的间距都为e，当所述透光容器发生倾角θ时，所述的两个光斑的中心点在相应的感光装置上的偏移量分别为d1和d2，则根据公式d=F·tan（α+2θ）-F·tanα，由d1值计算出倾角θ1，由d2值计算出倾角θ2，其中：F为聚光透镜焦距，tanα=e/F，最终得出所述透光容器的倾角θ的值为θ1和θ2的绝对值之和除以2；同时，根据任一光斑的中心点在相应的感光装置上的偏移方向，计算出所述透光容器的倾斜方向，最终获得倾斜传感器的倾斜角度和方向。

在相同的倾斜状态下，当所述透光容器内的透光液体因温度变化而使液位发生上升或下降时，所述θ1和θ2分别增大△θ和减小△θ，或，所述θ2和θ1分别增大△θ和减小△θ，但θ1和θ2的绝对值之和不变，使最终获得倾斜传感器的倾斜角度不受温度变化的影响。

优选地，所述中央处理器的输出端连接有显示装置显示角度θ。

本发明提出倾斜传感器及其工作方法具有的技术效果：（1）本发明的倾斜传感器，使光源输出的光线经过透光容器的自由液面的反射镜反射，然后通过聚光透镜到达感光装置的感光面，然后由中央处理器根据感光装置测得的光斑，通过图像处理相关算法计算光斑中心，并根据光斑中心的位移量和位移方向，运算其倾斜角度和倾斜方向。在相同的倾斜状态下，当所述透光容器内的透光液体因温度变化而使液位发生上升或下降时，通过两路光路测得的倾角θ1和θ2分别增大△θ和减小△θ，或，所述θ2和θ1分别增大△θ和减小△θ，但θ1和θ2的绝对值之和不变，使最终获得倾斜传感器的倾斜角度不受温度变化的影响。可作为高精度倾斜传感器、可靠性和精度较高、成本较低且计算简便。（2）本发明的液体采用具有合适粘性的液体，此透光容器具有自由表面，表面总是保持水平状态，提高了本发明的测试精度。（3）本发明的感光装置获得的图像信息，能通过图像处理相关算法等获得更优质的图像信息，且计算图像中心方法简单，中央处理器的运算速度快，使其可靠性增加，结构简便使其成本低，并能消除温度带来的影响。

附图说明

下面结合附图对本发明的作进一步说明。

图1为本发明实施1中的倾斜传感器的光学结构示意图；

图2为本发明实施1中的倾斜传感器发生倾斜时的光路示意图；

图3为实施例1中的倾斜传感器的液面上升后的光学结构示意图；

图4为实施例2中的倾斜传感器的光学结构示意图；

图5为实施例3中的倾斜传感器的光学结构示意图；

图6为实施例4中的倾斜传感器的光学结构示意图；

图7为实施例5中的倾斜传感器的光学结构示意图；

图8为实施例6中的倾斜传感器的光学结构示意图；

图9为实施例7中的倾斜传感器的光学结构示意图；

图10为实施例8中的倾斜传感器的光学结构示意图；

图11为上述实施例3中的变型实施方式，其中标记13和13’为平面光源。

具体实施方式

实施例1：

如图1，本实施例的倾斜传感器包括：透光容器1、位于透光容器1下方的第一透镜2、位于第一透镜2下方的第一光源3、位于第一光源3旁的第一感光装置5，以及分别与所述第一透镜2、第一光源3和第一感光装置5以透光容器1的中心线对称设置的第二透镜2＇、第二光源3＇和第二感光装置5＇；第一感光装置5和第二感光装置5＇分别与第一中央处理器6和第二中央处理器6＇相连（此时，第一、第二中央处理器彼此连接），或第一感光装置5和第二感光装置5＇都与同一中央处理器相连。透光容器1的底板优选为厚度一致的平面板。

透光容器1内充填的液体为硅油。（其他具有相同折射率的液体均可，如酒精等）硅油具有自由表面，因而其表面总是保持水平的状态，光照射到硅油的液面后直接进行平面反射。

第一光源3和第二光源3＇为至少一个LED，也可以使用其他点光源。

第一透镜2和第二透镜2＇分别使第一光源3和第二光源3＇出射的光平行。

第一感光装置5和第二感光装置5＇是对经自由液面反射的光变换为电信号的装置，本实施例使用的感光装置为CMOS图像传感器，也可采用CCD图像传感器。

所述的各中央处理器是包含CPLD和单片机的中央处理器，对全体加以控制，计算CMOS图像感光装置上投影发生的位移，并计算相应倾角用的装置。

透光容器1的液面发射光线在第一感光装置5和第二感光装置5＇的感光面上所成的光斑，通过图像二值化处理后液面区域为白色的光斑，根据图像处理可以计算出图像的边缘，以此计算图像中心；或者直接根据此光斑的像素平均也可计算出白斑的中心。

倾斜传感器若整体倾斜，由于透光容器1的自由表面仍保持水平，此时根据倾斜度的不同，使第一光源3和第二光源3＇的入射角度发生变化，导致第一感光装置5和第二感光装置5＇的感光面上所成的光斑会发生相应的偏移。

为简化结构，方便安装，进一步优选的方案是，两检测组件中的透镜密封设于所述透光容器的底面上，且两透镜对称设于该透光容器的中心线两侧，各透镜的光轴与该透光容器的中心线平行，各透镜的顶面与透光容器内的液体接触，但不露出液面。

工作时，第一光源3和第二光源3＇发出的散射光线分别经过第一透镜2和第二透镜2＇后转换为平行光，该平行光适于覆盖透光容器1内的透光液体的自由液面，从该自由液面反射的光线分别经过第一透镜2和第二透镜2＇后在第一感光装置5和第二感光装置5＇的感光面上分别形成光斑，第一中央处理器6和第二中央处理器6＇检测光斑的中心点在第一感光装置5和第二感光装置5＇的感光面上的位置变化。

因两路光路成像和运算方法相同，现以任一路光路为例来阐述，如图2所示，位于第一透镜2的焦平面上的第一光源3的中心与第一透镜2的光轴的间距为e，即AO为e，第一透镜2的焦距为F，第一光源3发射出的光线经第一透镜2后变成平行光线发射到液面，由自由液面反射后经第一透镜2成像于感光装置的感光面上。当自由液面与光轴垂直时，该感光面上的成像点B与第一光源3的中心关于光轴O对称。

如图2所示，仍以任一路光路为例，当传感器的倾角为θ时，则光斑的中心点移至C点位置。此时，各角度关系如图所示，可以得知光斑的中心点在感光面上的位移量BC的计算公式为：BC=F•tan（α+2θ）-F•tanα，其中tanα=e/F。如此，即可计算得出倾角θ，即通过两路光路成像，在两个感光面上的位移量，分别计算出两个倾角θ1和θ2，因为两路光路以透光容器1的中心线对称设置的原因，可知θ1和θ2的绝对值相等，最终得出所述透光容器的倾角θ的值为θ1和θ2的绝对值之和除以2，同时，根据任一光斑的中心点在相应的感光装置上的偏移方向，计算出所述透光容器的倾斜方向，最终获得倾斜传感器的倾斜角度和方向，然后通过与中央处理器连接的显示装置显示即可。

当温度发生变化时，自由液面的高度会发生变化，如图3所示，在透光容器1内的透光液体的自由液面的位置发生偏移，第一光源3和第二光源3＇输出的光线从该自由液面反射后分别经过第一透镜2和第二透镜2＇后，在第一感光装置5和第二感光装置5＇的感光面上分别形成的光斑也分别发生偏移，此时若只采用一路光源，那么在倾斜传感器未发生倾斜的情况下，中央处理器会误认为倾斜传感器的倾斜发生了变化。而本实施例采用的差值计算，解决了液面因温度变化而带来的误差问题。

在相同的倾斜状态（包括倾斜角度为0的情况）下，当所述透光容器内的透光液体因温度变化而使液位发生上升或下降时，所述θ1和θ2分别增大△θ和减小△θ，或，所述θ2和θ1分别增大△θ和减小△θ，但θ1和θ2的绝对值之和不变，使最终获得倾斜传感器的倾斜角度不受温度变化的影响。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例存在如下变型：

如图4所示，本实施例的倾斜传感器，在第一光源3和第一感光装置5之间增加了第一反射镜4，在第二光源3＇和第二感光装置5＇之间增加了第二反射镜4＇，第一光源3和第二光源3＇输出的光线分别通过第一透镜2和第二透镜2＇，经透光容器1内的液面反射后，再通过第一透镜2和第二透镜2＇并聚焦到第一感光装置5和第二感光装置5＇的感光面上。

另外，其它构成及原理实施例1相同，故省略说明。

实施例3：

在实施例1的基础上，本实施例存在如下变型：

如图5所示，本实施例的倾斜传感器中的第一光源3和第二光源3＇，透光容器1、第一透镜2和第二透镜2＇依次上下相对设置，且在透光容器1和第一感光装置5和第二感光装置5′之间分别设有第三透镜7和第四透镜7＇。

本实施例的倾斜传感器将第一光源3和第二光源3＇置于透光容器1的上方，使光线穿过透光容器1，在第一感光装置5和第二感光装置5＇上成像。

本实施例采用的是折射原理，其计算与实施例1相同，故省略说明。

实施例4：

在实施例1的基础上，本实施例存在如下变型：

图6所示的倾斜传感器由透光容器1、第一透镜2、第二透镜2＇、第一光源3、第二光源3＇、第一反射镜4a和第二反射镜4a′、第三反射镜4b和第四反射镜4b′、第一感光装置5、第二感光装置5＇、第一中央处理器6和第二中央处理器6构成，或第一感光装置5和第二感光装置5＇都与同一中央处理器相连。

本实施例的倾斜传感器将第一光源3置于第一感光装置5附近，第一光源3发出的光线通过第一透镜2到达第一反射镜4a，经过反射和折射到达液面，反射光再经过反射和折射到达第三反射镜4b，经过第一透镜2在第一感光装置5上成像。第二透镜2＇、第二光源3＇、第二反射镜4a′、第四反射镜4b′与之对称设置，原理相同。

其它构成及原理与实施例1相同，故省略说明。

实施例5：

在实施例1的基础上，本实施例存在如下变型：

图7所示的倾斜传感器由透光容器1、第一透镜2、第二透镜2′、第三透镜7、第死透镜7′、第一光源3、第二光源3′、第一半透半反棱镜4a、第二半透半反棱镜4a′、第一感光装置5、第二感光装置5′、第一中央处理器置6及第二中央处理器置6′构成，或第一感光装置5和第二感光装置5＇都与同一中央处理器相连。

第一光源3通过第一透镜2到达第一半透过反射镜4a经反射到达液面，液面反射光经过第一半透半反棱镜4a后经第三透镜7后被第一感光装置5接收成像。第二光源3′所在光路的原理与第一光源3一致。

另外，其它构成及原理与实施例1相同，故省略说明。

实施例6：

在实施例5的基础上，本实施例存在如下变型：

图8所示的倾斜传感器由透光容器1、第一透镜2、第二透镜2′、第三透镜7、第四透镜7′、第一光源3、第二光源3′、第一感光装置5、第二感光装置5′、第一中央处理器6及第二中央处理器6′构成。

本实施例的倾斜传感器省略实施例5中的半透过反射镜，将第一透镜2和第三透镜7以不同角度倾斜放置，对称部分原理相同。其它构成及原理与第五实施例相同，故省略说明。

实施例7：

在实施例1的基础上，本实施例存在如下变型：

图9所示的倾斜传感器由透光容器1、第一透镜2、第二透镜2＇，第一光源3、第二光源3＇、第一感光装置5、第二感光装置5＇、第一中央处理器6和第二中央处理器6＇构成。

本实施例中，第一透镜2和第二透镜2＇密封设于透光容器1的底面上，且第一透镜2和第二透镜2＇对称设于透光容器1的中心线两侧，各透镜的光轴与该透光容器的中心线平行，第一透镜2和第二透镜2＇的顶面与透光容器1内的液体接触，但不露出液面，以使结构更为简单、安装简便。其它构成及原理与实施例1相同，故省略说明。同时在前六种实施例中，均可使用此方法更改、简化结构。

实施例8：

在实施例1的基础上，本实施例存在如下变型：

图10所示的倾斜传感器由透光容器1、第一光源3、第二光源3＇、第一透镜2、第三聚光透镜7、第一感光装置5、第二感光装置5＇、第一中央处理器6和第二中央处理器6＇构成。

本实施例采用双光源单组透镜。其它构成及原理与实施例1相同，故省略说明。同时实施例7，8，均可更改使用此方法结构。

实施例9：

在实施例3的基础上，本实施例存在如下变型：

所述第一光源3、第二光源3＇为面光源，且输出的光线与透光容器1的中心线平行，以省去第三透镜7和第四透镜7＇，以使结构更为简单、安装简便。

本发明的不局限于上述实施例的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案，例如通过增加透镜或反射镜改变光线线路等，均为本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种倾斜传感器，包括透光容器，该透光容器内设有具有自由液面的透光液体，其特征在于还包括：聚光透镜和一对对称设于所述透光容器的中心线两侧的检测组件；各检测组件包括：光源、感光装置；各检测组件中的感光装置的输出端与一中央处理器相连；

各检测组件工作时，所述光源输出的光线照射在所述透光液体的液面上、并经过所述液面反射或折射后穿过所述聚光透镜、最后在所述感光装置的感光面上形成一光斑；

所述中央处理器计算各感光面上的所述光斑的中心点在各自感光面上的位置变化，以计算出倾斜传感器的倾斜方向和倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的倾斜传感器，其特征在于，各检测组件中的光源为发出散射光线的点光源或发射出平行光线的面光源；当所述光源是点光源时，各光源与所述液面之间分别设有用于将对应光源的散射光线转换为平行光线的透镜。

3.根据权利要求1或2所述的倾斜传感器，其特征在于，所述透光容器的底板为厚度一致的平面板。

4.根据权利要求1或2所述的倾斜传感器，其特征在于，两聚光透镜密封设于所述透光容器的底面上，且两聚光透镜对称设于该透光容器的中心线两侧，各聚光透镜的光轴与该透光容器的中心线平行，各聚光透镜的顶面与透光容器内的液体接触，但不露出液面。

5.根据权利要求1或2所述的倾斜传感器的工作方法，其特征在于包括，各光源输出的光线分别照射在所述液面上，并各自经过所述液面反射或折射后分别穿过相应的聚光透镜，最后分别在相应的感光装置上形成相应的光斑；所述中央处理器根据光斑分别计算两个光斑的中心点；

其中，若所述各检测组件中的光源与聚光透镜的光轴的间距都为e，当所述透光容器发生倾角θ时，所述的两个光斑的中心点在相应的感光装置上的偏移量分别为d1和d2，则根据公式d=F·tan（α+2θ）-F·tanα，由d1值计算出倾角θ1，由d2值计算出倾角θ2，其中：F为聚光透镜焦距，tanα=e/F，最终得出所述透光容器的倾角θ的值为θ1和θ2的绝对值之和除以2；

同时，根据任一光斑的中心点在相应的感光装置上的偏移方向，计算出所述透光容器的倾斜方向，最终获得倾斜传感器的倾斜角度和方向。

6.根据权利要求5所述的倾斜传感器的工作方法，其特征在于，在相同的倾斜状态下，当所述透光容器内的透光液体因温度变化而使液位发生上升或下降时，所述θ1和θ2分别增大△θ和减小△θ，或，所述θ2和θ1分别增大△θ和减小△θ，但θ1和θ2的绝对值之和不变，使最终获得倾斜传感器的倾斜角度不受温度变化的影响。