CN106382915A - 一种电子水泡 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子水泡，包括壳体、PCBA板和三个LED指示灯，所述壳体为透明材料制成的长条结构，并且所述长条结构的底面为测量平面；在所述壳体内设有所述PCBA板，所述PCBA板上纵向排列有处于同一直线上的所述LED指示灯，所述PCBA板上还设有单片机和二轴以上的重力加速度传感器，并且所述重力加速度传感器可实现0‑360°范围的倾角测量，其输出的倾角信号经所述单片机处理后控制LED灯的状态以指示出特征点的位置。本发明的有益效果是：该电子泡不需要使用任何电解液，仅需一片PCBA板及一个透光的壳体即可，其加工简单，成本低，效率高，并且一个电子水泡可以用于多个特征点的检测，使用简单方便。

Description

一种电子水泡

技术领域

本发明涉及测量仪器领域，具体涉及一种电子水泡。

背景技术

目前，市面上的水泡有以下几种：

1.普通水泡。这种水泡根据重力学原理，水准泡的气泡始终位于容器的最高处。这样，当气泡位于容器中央时，说明水泡是水平放置的。这种水泡的优点是价格低，使用方便。其缺点是只能人眼观察，精度受观察者经验影响，测量范围小，无法在现代化的、智能化的仪器中使用。

2.电子水泡。现有的电子水泡主要有电阻式及电容式两种。他们一般都是配合专门的电极、液体、线圈、光电发射和接收组合等原理完成水平倾角与电学量间转换的圆形水准泡或管状水准泡。这种水泡提高了仪器的智能化及自动化水平，但是这类水泡同样存在以下缺点：a：工作范围很小，只能用于特定角度的测量；b:由于这种水泡必须要用到电解液，加工较复杂，在温度范围变化较大的条件下，极易引起漏液、破裂等故障。

发明内容

综上所述，为了克服现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种电子水泡，可实现360°范围任意倾角点测量，同时不需要使用电解液的电子水泡。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种电子水泡，包括壳体、PCBA板和三个LED指示灯，所述壳体为透明材料制成的长条结构，所述长条结构的底面为测量平面；在所述壳体内设有所述PCBA板，所述PCBA板上纵向排列有处于同一直线上的所述LED指示灯，所述PCBA板上还设有单片机和二轴以上的重力加速度传感器，并且所述重力加速度传感器可实现0-360°范围的倾角测量，其输出的倾角信号经所述单片机处理后控制LED灯的状态以指示出特征点的位置。

本发明的有益效果是：该电子水泡不需要使用任何电解液，仅需一片PCBA板及一个透光的壳体即可，其加工简单，成本低，效率高，并且一个电子水泡可以用于多个特征点的检测，使用简单方便。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下进一步的改进：

进一步，所述重力加速度传感器的测量轴组成的测量平面竖直布置以实现其0-360°范围的倾角测量。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：重力加速度传感器实现0-360°范围的倾角测量。

进一步，所述重力加速度传感器为MEMS重力加速度传感器。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：利用MEMS重力加速度传感器可以将电子水泡微型化，再将微型化的电子水泡安装到水平尺上，以便用户更好的使用。

进一步，所述LED指示灯有三个，当所述重力加速度传感器测量出的倾角偏离特征点于设定范围内时，所述单片机控制位于中间位置的LED指示灯闪烁显示，并且越接近特征点，位于中间位置的LED指示灯闪烁的频率越快，与此同时位于一侧位置的LED指示灯或者位于另一侧位置的LED指示灯点亮来提示被测物体上LED指示灯亮起的一端需要调低；

当所述重力加速度传感器测量出的倾角为特征点的位置或者预设公差范围时，所述单片机控制位于中间位置的LED指示灯常亮。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：通过观察LED指示灯的状态，用户可以直观的进行特征点的检测，并且做出对应的调节。

进一步，所述LED指示灯有三个以上的奇数个，当所述重力加速度传感器测量出的倾角偏离特征点于设定范围内时，所述单片机控制位于中间位置的LED指示灯闪烁显示，并且越接近特征点，位于中间位置的LED指示灯闪烁的频率越快，与此同时位于位于中间位置的LED指示灯两侧的任意一个LED指示灯点亮来提示被测物体上LED指示灯亮起的一端需要调低，并且两侧中不同的LED指示灯点亮表示测量位置偏离特征点不同的角度区间；

当所述重力加速度传感器测量出的倾角为特征点的位置或者预设公差范围时，所述单片机控制位于中间位置的LED指示灯常亮。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：由于设置有三个以上的奇数个LED指示灯，通过观察LED指示灯的状态，用户不仅可以直观的进行特征点的检测，同时根据两侧中点亮的LED指示灯可以知道测量位置偏离特征点的大概角度，更有利于做出准确的调节。

进一步，所述PCBA板上还设有用于显示出测量位置倾角数据的LCD显示屏。

进一步，还包括连接所述单片机的数据线，所述单片机通过数据线将测量的倾角数据发送给LCD显示模块实时显示出来；所述单片机还通过所述数据线并经过蓝牙模块连接手机APP，并且所述手机APP可任意设置特征点及位于中间位置的LED指示灯闪烁显示的角度区间。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：用户根据实际需要通过手机可直接对电子水泡的参数进行相应的调节。

进一步，位于中间的LED指示灯与位于位于一侧位置的LED指示灯或者位于另一侧位置的LED指示灯的颜色不相同。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：将LED指示灯区分成不同的显示颜色，进一步使用户更为直观的进行特征点的检测。

进一步，所述LED指示灯为OLED或电子墨滴。

进一步，该电子水泡的标定的方法包括如下步骤：

(1)将电子水泡置于已调校好特征角度的标准器件上，然后读取该温度下的重力加速度传感器的数据并写入单片机；

(2)由单片机根据温度偏差和重力加速度传感器的偏差曲线来对特征点的数据进行修正，再现特征点的准确位置数据。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：提高电子水泡的测量精度。

附图说明

图1为重力加速度和倾斜角之间的关系示意图(重力加速度传感器的测量轴组成的测量平面竖直布置时)；

图2为本发明的整体结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、PCBA板，12、重力加速度传感器，13、单片机，21、位于一侧位置的LED指示灯，22、位于中间位置的LED指示灯，23、位于另一侧位置的LED指示灯，3、壳体，4、数据线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种电子水泡，包括壳体3、PCBA板1和三个LED指示灯，所述LED指示灯为OLED或电子墨滴。所述壳体3为透明材料制成的长条结构，所述长条结构的底面为测量平面。在所述壳体3内设有所述PCBA板1，所述PCBA板1上纵向排列有处于同一直线上的所述LED指示灯，所述PCBA板1上还设有单片机13和二轴以上的重力加速度传感器12，优选的：所述重力加速度传感器12为MEMS重力加速度传感器，并且所述重力加速度传感器12的测量轴组成的测量平面竖直布置以实现其可0-360°范围的倾角测量，具体工作原理如下：

当待测平面绕任意方位的旋转轴(方位角为α)旋转，使待测平面倾斜θ时，待测平面的两轴与它们在水平面上的投影轴之间的夹角θ_x、θ_y与载体倾斜角θ的几何关系如下：

设待测平面两轴x′、y′与在水平面上的投影轴之间的夹角分别为θ_x、θ_y，待测平面的法向轴z′与水平面的法向轴z之间的角度为θ，而同时倾角传感器的输入基准轴感受的加速度ai与基准轴倾角θi的关系两者之间的关系为：

$ai=\sin \mathrm{\θ}i=\frac{g_{\mathrm{\θ}i}}{g}$

其中g为重力加速，g_θi为基准轴倾角是θi时在基准轴上重力加速度的分量。设重力加速度传感器的两个输入基准轴分别为x、y轴方向，输入基准轴方向的加速度分别为a_x、a_y，则重力加速度在坐标系xoy平面内的分量a_xoy为：

$a_{xoy}=\sqrt{a_x^2+a_y^2}$

则代入加速度和倾角的关系式可得到θ_x、θ_y与θ间的关系为：

$sin\mathrm{\θ}=\sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_x+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_y}$

由于θ角是正弦关系,在大角度测量时分辨率是很低的,无法用于大角度倾角的测量。

当将XOY测量平面垂直放置时，如图1所示。重力加速度和倾斜角之间的关系如下：

a_x＝g·sin(θ_x)

a_y＝g·sin(θ_y)

(θ_x+θ_y)＝90°

γ＝ATAN(a_x/a_y)

其中，γ为X轴与水平夹角；ATAN为反正切。通过转换θ_x、θ_y和γ的关系，即可在0-360°倾斜角范围得到高分辨率，同时由于X、Y轴输出的灵敏度一般都随温度同步变化，a_x除以a_y后还可大大降低传感器测量结果受温度变化的影响。因此，只需将重力加速度传感器12的测量轴组成的测量平面竖直布置就可以实现其可0-360°范围的倾角测量，在PCBA板1上还设有用于显示出测量位置倾角数据的LCD显示屏，并且重力加速度传感器12输出的倾角信号经所述单片机13处理后控制LED灯的状态以指示出特征点的位置，具体如下：

所述LED指示灯有三个，当所述重力加速度传感器12测量出的倾角偏离特征点于设定范围内时，所述单片机13控制位于中间位置的LED指示灯22闪烁显示，并且越接近特征点，位于中间位置的LED指示灯22闪烁的频率越快，与此同时位于一侧位置的LED指示灯21或者位于另一侧位置的LED指示灯23点亮来提示被测物体上LED指示灯亮起的一端需要调低，另外再加上位于中间的LED指示灯22与位于位于一侧位置的LED指示灯21或者位于另一侧位置的LED指示灯23的颜色不相同，用户可以直观的进行特征点的检测。当所述重力加速度传感器12测量出的倾角为特征点的位置时，所述单片机13控制位于中间位置的LED指示灯22常亮。

另外所述LED指示灯的数量也可以设置为三个以上的奇数个，由于设置有三个以上的奇数个LED指示灯，在位于中间的LED指示灯22的两侧会有多个不同的LED指示灯，并且两侧中不同的LED指示灯点亮表示测量位置偏离特征点不同的角度区间，具体表现为：距离位于中间的LED指示灯22越远的LED指示灯点亮表示测量位置偏离特征点的角度越大；反之，表示测量位置偏离特征点的角度越小，用户根据LED指示灯的状态不仅可以直观的进行特征点的检测，同时根据两侧中点亮的LED指示灯可以知道测量位置偏离特征点的大概角度，有利于做出准确的调节。

以上LED指示灯的指示效果可以等同于普通水泡，但是其优于普通水泡：普通水泡一个水泡只能用于一个特征点测量，此电子水泡一个水泡可以同时用于多个任意特征点测量，并且可通过LED指示灯的闪烁频率直观判断测量位置与特征点位置的偏差，避免人为观测产生的误差。

该电子水泡可以采用标定的方法来保证产品的高精度，标定的方法包括如下步骤：

(1)将电子水泡置于已调校好特征角度的标准器件上(如所有象限的0°、45°、90°)，然后读取该温度下的重力加速度传感器12的数据并写入单片机13；

(2)由单片机13根据温度偏差和重力加速度传感器12的偏差曲线来对特征点的数据进行修正，再现特征点的准确位置数据。

由于用于量值传递的标准器件具有较高的精度(误差不大于30″)，因此经上述标定方法后的电子水泡其精度可以得到有效保证。

另外该电子水泡在出厂时还可按等分点进行特征点的设置。例如：当等分点设置为15°时，电子水泡在以水平零位为起点，每隔15°就会有一个特征点。当电子水泡的倾斜角刚好处于特征点位置时，绿色LED灯即位于中间位置的LED指示灯22会常亮，当偏离特征点±3°范围内时，绿色LED灯会闪烁显示，越接近特征点闪烁频率越快。与此同时红色LED灯即位于一侧位置的LED指示灯21或者位于另一侧位置的LED指示灯23点亮，提示红色LED灯点亮的一端高于等分点，使用者只需要慢慢调低该端，即可回到等分点。LED灯的指示效果等同于普通水泡的偏移，但是相较于普通水泡检测效果更为直观，用户有普通水准泡的使用经验即可轻松上手，降低对用户的要求。

该电子水泡还包括连接所述单片机13的数据线4，所述单片机13通过数据线4将测量的倾角数据发送给LCD显示模块实时显示出来；所述单片机13还通过所述数据线并经过蓝牙模块连接手机APP，用户可以在手机APP上读取任意位置的倾角数值，并且可以通过手机APP任意设置特征点及绿色LED灯闪烁显示的角度区间。

此电子水泡除了常规的检测以为，还可用于自动调平。其原理是根据电子水泡倾斜角的输出数据，来调节X和Y两个方向的步进电机，以调平仪器的位置，可有效提高工作效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电子水泡，其特征在于，包括壳体(3)、PCBA板(1)和多个LED指示灯，所述壳体(3)为透明材料制成的长条结构,所述长条结构的底面为测量平面；在所述壳体(3)内设有所述PCBA板(1)，所述PCBA板(1)上纵向排列有处于同一直线上的所述LED指示灯，所述PCBA板(1)上还设有单片机(13)和二轴以上的重力加速度传感器(12)，并且所述重力加速度传感器(12)可实现0-360°范围的倾角测量，其输出的倾角信号经所述单片机(13)处理后控制LED灯的状态以指示出特征点的位置。

2.根据权利要求1所述的电子水泡，其特征在于，所述重力加速度传感器(12)的测量轴组成的测量平面竖直布置以实现其0-360°范围的倾角测量。

3.根据权利要求2所述的电子水泡，其特征在于，所述重力加速度传感器(12)为MEMS重力加速度传感器。

4.根据权利要求1所述的电子水泡，其特征在于，所述LED指示灯有三个，当所述重力加速度传感器(12)测量出的倾角偏离特征点于设定范围内时，所述单片机(13)控制位于中间位置的LED指示灯(22)闪烁显示，并且越接近特征点，位于中间位置的LED指示灯(22)闪烁的频率越快，与此同时位于一侧位置的LED指示灯(21)或者位于另一侧位置的LED指示灯(23)点亮来提示被测物体上LED指示灯亮起的一端需要调低；

当所述重力加速度传感器(12)测量出的倾角为特征点的位置或者预设公差范围时，所述单片机(13)控制位于中间位置的LED指示灯(22)常亮。

5.根据权利要求1所述的电子水泡，其特征在于，所述LED指示灯有三个以上的奇数个，当所述重力加速度传感器(12)测量出的倾角偏离特征点于设定范围内时，所述单片机(13)控制位于中间位置的LED指示灯(22)闪烁显示，并且越接近特征点，位于中间位置的LED指示灯(22)闪烁的频率越快，与此同时位于位于中间位置的LED指示灯(22)两侧的任意一个LED指示灯点亮来提示被测物体上LED指示灯亮起的一端需要调低，并且两侧中不同的LED指示灯点亮表示测量位置偏离特征点不同的角度区间；

当所述重力加速度传感器(12)测量出的倾角为特征点的位置及其预设公差范围时，所述单片机(13)控制位于中间位置的LED指示灯(22)常亮。

6.根据权利要求1所述的电子水泡，其特征在于，所述PCBA板(1)上还设有用于显示出测量位置的倾角数据的LCD显示屏。

7.根据权利要求1所述的电子水泡，其特征在于，还包括连接所述单片机(13)的数据线(4)；所述单片机(13)通过数据线将测量的倾角数据发送给LCD显示模块实时显示出来；所述单片机(13)通过所述数据线并经过蓝牙模块连接手机APP，并且所述手机APP可任意设置特征点及位于中间位置的LED指示灯(22)闪烁显示的角度区间。

8.根据权利要求1所述的电子水泡，其特征在于，位于中间的LED指示灯(22)与位于一侧位置的LED指示灯(21)或者位于另一侧位置的LED指示灯(23)的颜色不相同。

9.根据权利要求1至8任一项所述的电子水泡，其特征在于，所述LED指示灯为OLED或电子墨滴。

10.一种权利要求1至9任一项所述电子水泡的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将电子水泡置于已调校好特征角度的标准器件上，然后读取该温度下的重力加速度传感器(12)的数据并写入单片机(13)；

(2)由单片机(13)根据温度偏差和重力加速度传感器(12)的偏差曲线来对特征点的数据进行修正，再现特征点的准确位置数据。