CN114234925A - 一种微型光学角度传感器与电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种微型光学角度传感器与电子设备，涉及角度测量技术领域。本申请提供了一种微型光学角度传感器与电子设备，该微型光学角度传感器包括壳体、发光组件、光电探测器以及液体介质，壳体内设置有置物空腔，发光组件、光电探测器以及液体介质均设置于置物空腔内，液体介质的体积小于置物空腔的体积，且液体介质覆盖部分或全部光电探测器；其中，液体介质的折射率与空气的折射率不同；发光组件用于发出测试光，光电探测器用于在微型光学角度传感器处于不同角度时，接收不同光强的测试光。本申请提供的微型光学角度传感器与电子设备具有体积更小，能够适用于更多的场合的优点。

Description

一种微型光学角度传感器与电子设备

技术领域

本申请涉及角度测量技术领域，具体而言，涉及一种微型光学角度传感器与电子设备。

背景技术

在一些电子设备中，需要对角度进行测量，例如机器人、汽车等电子设备，通过利用传感器测量角度的方式能够使其运行程序更加安全可靠。

目前，在工业中最常用的角度测量工具是水平仪，用于测量相对于水平位置的倾斜角、机床类设备导轨的平面度和直线度、设备安装的水平位置和垂直位置等。按水平仪的外形不同可分为：框式水平仪和尺式水平仪两种；按水准器的固定方式又可分为：可调式水平仪和不可调式水平仪。

然而，目前的水平仪存在体积较大的问题，不能很好地适用于所有场合。

发明内容

本申请的目的在于提供一种微型光学角度传感器与电子设备，以解决现有技术中存在的角度传感器的体积较大的问题。

为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

一方面，本申请实施例提供了一种微型光学角度传感器，所述微型光学角度传感器包括壳体、发光组件、光电探测器以及液体介质，所述壳体内设置有置物空腔，所述发光组件、所述光电探测器以及所述液体介质均设置于所述置物空腔内，所述液体介质的体积小于所述置物空腔的体积，且所述液体介质覆盖部分或全部所述光电探测器；其中，

所述液体介质的折射率与空气的折射率不同；

所述发光组件用于发出测试光，所述光电探测器用于在所述微型光学角度传感器处于不同角度时，接收不同光强的测试光。

可选地，所述液体介质的体积小于或等于所述壳体体积的二分之一。

可选地，所述液体介质的上表面与所述光电探测器的上表面齐平。

可选地，所述发光组件与所述光电探测器集成于一体。

可选地，当所述微型光学角度传感器呈0°放置时，所述光电探测器成水平设置；所述发光组件设置于所述光电探测器的中间位置且所述光电探测器为一完整平面，以在0°～180°范围内进行角度检测。

可选地，当所述微型光学角度传感器呈0°放置时，所述光电探测器成竖直设置；所述发光组件设置于所述光电探测器的中间位置且所述光电探测器包括多个独立的光电传感器，以通过每个光电传感器接收到的测试光的光强，在0°～360°范围内进行角度检测。

可选地，每个所述光电传感器的面积等大，且多个所述光电传感器围成圆形。

可选地，所述壳体包括透明壳体。

可选地，所述液体介质包括透明液体。

另一方面，本申请实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括上述的微型光学角度传感器。

相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请提供了一种微型光学角度传感器与电子设备，该微型光学角度传感器包括壳体、发光组件、光电探测器以及液体介质，壳体内设置有置物空腔，发光组件、光电探测器以及液体介质均设置于置物空腔内，液体介质的体积小于置物空腔的体积，且液体介质覆盖部分或全部光电探测器；其中，液体介质的折射率与空气的折射率不同；发光组件用于发出测试光，光电探测器用于在微型光学角度传感器处于不同角度时，接收不同光强的测试光。由于液体介质的折射率与空气的折射率不同，因此当液体介质覆盖于光电探测器的表面时，会导致光电探测器接收到的光强变化。而当微型光学角度传感器处于不同角度时，由于液体的表面始终保持与水平面平行，因此覆盖于光电探测器表面的液体面积会随着角度不同而变化，使得光电探测器能够接收到不同程度的光强。并且，由于本申请提供的微型光学角度传感器包括的部件较少，且发光组件、光电探测器以及液体介质均设置于外壳内，使得微型光学角度传感器的整体体积较小，能够适用于更多的场合。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本申请实施例提供的微型光学角度传感器的第一种结构示意图。

图2为本申请实施例提供的发光组件与光电探测器的第一种结构示意图。

图3为本申请实施例提供的微型光学角度传感器的第二种结构示意图。

图4为本申请实施例提供的微型光学角度传感器的第三种结构示意图。

图5为本申请实施例提供的微型光学角度传感器的第四种结构示意图。

图6为本申请实施例提供的发光组件与光电探测器的第二种结构示意图。

图中：

100-微型光学角度传感器；110-壳体；120-发光组件；130-光电探测器；140-液体介质。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

倾角传感器根据内部结构主要有三种不同的原理，固态，液态，气态倾角传感器,工用行业一般倾角传感器的定义是用于测量载体相对于某个参考平面倾斜角度的传感器。无论是为了监控收割机、农用机械、轮船、汽车、飞机还是控制自动售货机、机器人、太阳能电站，传感器都可以通过测量角度使其运行程序更加安全可靠。

正如背景技术中所述，目前工业中最常用的角度测量工具是水平仪，水平仪主要应用于检验各种机床及其它类型设备导轨的直线度和设备安装的水平位置，垂直位置。它也能应用于小角度的测量和带有V型槽的工作面，还可测量圆柱工件的安装平行度，以及安装的水平位置和垂直位置。水平仪是机械设备安装测量水平度和垂直度不可缺少的精密量具。然而，目前的水平仪存在最大问题就是体积较大，不能很好地适用于所有场合。此外，水平仪需要操作人员通过肉眼进行读数，因此会存在一定的检测误差。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种微型光学角度传感器，通过利用光通过两种介质时折射率不同，光电探测器检测到光强也不同的特性，实现对角度的测量，且本申请提供的角度传感器采用微型光学角度传感器，缩小了微型光学角度传感器的体积，使其能够适用于更多的场合，并且无需人工进行读数。

下面对本申请提供的微型光学角度传感器进行示例性说明：

作为一种可选的实现方式，请参阅图1，微型光学角度传感器100包括壳体110、发光组件120、光电探测器130以及液体介质140，壳体110内设置有置物空腔，发光组件120、光电探测器130以及液体介质140均设置于置物空腔内，液体介质140的体积小于置物空腔的体积，且液体介质140覆盖部分或全部光电探测器130；其中，液体介质140的折射率与空气的折射率不同；发光组件120用于发出测试光，光电探测器130用于在微型光学角度传感器100处于不同角度时，接收不同光强的测试光。

由于液体介质140的体积小于置物空腔的体积，因此置物空腔内至少存在液体介质140与空气两种光传播的介质，且由于液体介质140的折射率与空气的折射率不同，因此当光从一种介质(液体介质140或空气)传递到另一种介质(空气或液体介质140)时，它会改变其速度和方向。这种变化的程度取决于介质的折射率以及光线与垂直于分隔两种介质的表面的线之间的角度。

换言之，当壳体110内只有空气时，其全反射的临界角度较小，而当光电探测器130的表面被液体介质140覆盖后，由于全反射的角度与介质折射率关联，因此其全反射的临界角度将会变大，导致在通过液体介质140进行光传播时，光电探测器130接收到的光强变弱。

因此，光电探测器130接收到的光量取决于发光组件120边界处的全反射特性。由于重力效应，在转动不同角度时，空腔内的液体钟摆保留在置物空腔的底部，器件会经历不同程度的液体浸没，改变了与器件表面接触的液体量，从而调节了光电探测器130接收到的光量，实现不同角度的测量。例如，当微型光学角度传感器100水平放置时，则液体介质140可能覆盖整个光电探测器130表面，此时，因此光电探测器130接收到的光强最小；而当微型光学角度传感器100的角度发生变化时，液体介质140无法浸没整个光电探测器130，因此部分或全部光电探测器130的光传播介质将转变为空气，由于空气与液体介质140的折射率不同，因此光电探测器130接收到的光强也并不相同，并据此可以确定出当前角度的大小。

作为一种可选的实现方式，发光组件120可以采用LED，光电探测器130可以采用光电传感器，可选地，二者可以独立设置，也可以集成于一体。当二者集成于一体时，可以采用单片集成的氮化镓LED芯片，进而可以极大的缩小器件体积以及成本，并且，通过该芯片还可以直接读取数据，操作简便，无需额外的数据收集及分析器件。并且，光电传感器能够将光信号转换为电信号，进而可以根据电流的大小确定当前的角度。

并且，本申请在芯片外加空腔的一体化设计，结构简单，空腔可用材料多，液体可选范围广，且可实现长时间实时监测。其中，当发光组件120与光电探测器130集成于一体时，其体积相对较小，因此使用的壳体110的体积也可以相对较小，进而缩小了整个微型光学角度传感器100的体积。

可以理解的，在实际应用中，微型光学角度传感器100需要固定于基板上，且基板上布局有相应的电路走线，电路走线与发光组件120、光电探测器130连接，并且，该电路走线还与相应的控制器连接，进而实现信号的检测。

例如，当需要进行角度检测时，控制器控制发光组件120发光，光电探测器130能够据此采集到不同大小的电流，并反馈至控制器，使得控制器能够依据电流的大小确定出微型光学角度传感器100当前所处角度。

其中，本申请提供的光电探测器130可以包括两种设置方式：

第一种，请参阅图2，当微型光学角度传感器100呈0°放置时，光电探测器130成水平设置；发光组件120设置于光电探测器130的中间位置且光电探测器130为一完整平面，以在0°～180°范围内进行角度检测。在该实现方式中，光电探测器130检测到的电流大小与液体介质140覆盖光电探测器130的面积相关。其中，位于中间位置的发光组件120发出的测试光会被底部的光电探测器130接收，如图2中所示，若此时液体介质140完全覆盖光电探测器130的表面，则由于液体介质140的折射率作用，使得光电探测器130因光强转化成的电流最小，例如，此时检测到的电流为A。请继续参阅图3，当微型光学角度传感器100旋转30°时，则液体介质140会露出部分光电探测器130，此时，光电探测器130检测到的电流增大，例如，此时检测到的电流为B，则满足B>A。请参阅图4，当微型光学角度传感器100旋转60°时，则液体介质140会露出更大部分的光电探测器130，此时，光电探测器130会检测到更大的电流，例如，此时检测到的电流为C，则满足C>B，以此类推，直至如图5所示，当微型光学角度传感器100旋转180°时，则此时微型光学角度传感器100翻转，此时光电探测器130检测到的电流最大。

需要说明的是，本申请所述微型光学角度传感器100在0°～180°范围内进行角度检测，指微型光学角度传感器100的最大检测范围为180°，当然地，在一些实施例中，也可以实现更小角度的检测，例如，检测范围为60°～90°。

还需要说明的是，为了实现大角度范围的检测，液体介质140的体积小于或等于所述壳体110体积的二分之一。可以理解地，当壳体110内液体介质140超过二分之一时，当微型光学角度传感器100置于0°与180°时，光电探测器130的表面均会覆盖液体介质140，使得其电流相同，无法分辨当前角度。同理地，其在小角度范围内，如0°～30°范围内，光电探测器130的表面始终覆盖有液体介质140，因此其无法实现角度测量。

并且，当液体介质140高于或低于光电探测器130的平面时，则也会导致在小角度范围内，无法实现角度的测量，有鉴于此，本申请提供的液体介质140的上表面与光电探测器130的上表面齐平。其中，本申请所述的液体介质140的上表面与光电探测器130的上表面齐平，可以为光电探测器130的上表面全部被液体介质140覆盖，或者，光电探测器130的上表面全部未被液体介质140覆盖，在此不做限定。

在上述实现方式的基础上，本申请优选采用液体介质140的体积等于壳体110体积的二分之一，且液体介质140的上表面与光电探测器130的上表面齐平，使得在0°时，液体介质140完全覆盖光电探测器130的表面；而当处于180°时，光电探测器130的表面与液体介质140不接触，实现在0°～180°范围内的角度检测。

第二种，请参阅图6，当微型光学角度传感器100呈0°放置时，光电探测器130成竖直设置；发光组件120设置于光电探测器130的中间位置且光电探测器130包括多个独立的光电传感器，以通过每个光电传感器接收到的测试光的光强，在0°～360°范围内进行角度检测。

其中，在确定角度时，可以利用每一个光电传感器产生的电流确定，例如，如图6中所述，若图6中的角度为0°，则光电传感器PD1与PD4产生的电流最大，而光电传感器PD2与PD3产生的电流最小。而当角度为180度时，则光电传感器PD1与PD4产生的电流最小，而光电传感器PD2与PD3产生的电流最大。

并且，当微型光学角度传感器100处于不同的角度时，每一个光电传感器接收到的光强大小不同，使得每个光电传感器探测生成的电流也不同，进而能够准确的确定出当前角度。

作为一种实现方式，多个光电传感器的面积等大，且多个光电传感器围成圆形。图中以四个光电传感器为例进行说明，但可以理解地，为了实现精确的测量，也可以采用更多数量的光电传感器，例如采用8个光电传感器，在此不做限定。

并且，为了使微型光学角度传感器100在测量时更加精确，液体介质140一般选用流动性较好的液体，例如酒精、食用油、橄榄油等液体。进而在发生角度变化时，液体介质140能够保证始终与水平面平行。

此外，本申请并不对液体介质140的类型进行限定，其可以为透明液体，也可以为不透明液体，例如，当发光组件120发出蓝光时，液体介质140可以使用蓝色液体。

由于本申请提供的微型光学角度传感器100的主要工作原理为利用介质折射率不同，使光电探测器130感应出不同大小的电流，因此，为了保证壳体110不会反射光线，干扰测试结果，本申请提供的壳体110为透明壳体110。换言之，通过液体介质140的全反射作用将部分测试光传播至光电探测器130，并在光电探测器130的光电作用下，使光电探测器130采集到不通大小的电流。而另一部分测试光由于发射或折射的效果，使得测试光通过壳体110逸散，测试结果更加精确。基于上述实现方式，本申请实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括上述的微型光学角度传感器100。其中，本申请所述的电子设备可以为农用机械、轮船、汽车、飞机、自动售货机、机器人、太阳能电站等设备，本申请并不做具体限定。

综上所述，本申请提供了一种微型光学角度传感器与电子设备，该微型光学角度传感器包括壳体、发光组件、光电探测器以及液体介质，壳体内设置有置物空腔，发光组件、光电探测器以及液体介质均设置于置物空腔内，液体介质的体积小于置物空腔的体积，且液体介质覆盖部分或全部光电探测器；其中，液体介质的折射率与空气的折射率不同；发光组件用于发出测试光，光电探测器用于在微型光学角度传感器处于不同角度时，接收不同光强的测试光。由于液体介质的折射率与空气的折射率不同，因此当液体介质覆盖于光电探测器的表面时，会导致光电探测器接收到的光强变化。而当微型光学角度传感器处于不同角度时，由于液体的表面始终保持与水平面平行，因此覆盖于光电探测器表面的液体面积会随着角度不同而变化，使得光电探测器能够接收到不同程度的光强。并且，由于本申请提供的微型光学角度传感器包括的部件较少，且发光组件、光电探测器以及液体介质均设置于外壳内，使得微型光学角度传感器的整体体积较小，能够适用于更多的场合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种微型光学角度传感器，其特征在于，所述微型光学角度传感器包括壳体、发光组件、光电探测器以及液体介质，所述壳体内设置有置物空腔，所述发光组件、所述光电探测器以及所述液体介质均设置于所述置物空腔内，所述液体介质的体积小于所述置物空腔的体积，且所述液体介质覆盖部分或全部所述光电探测器；其中，

所述液体介质的折射率与空气的折射率不同；

所述发光组件用于发出测试光，所述光电探测器用于在所述微型光学角度传感器处于不同角度时，接收不同光强的测试光。

2.如权利要求1所述的微型光学角度传感器，其特征在于，所述液体介质的体积小于或等于所述壳体体积的二分之一。

3.如权利要求1所述的微型光学角度传感器，其特征在于，所述液体介质的上表面与所述光电探测器的上表面齐平。

4.如权利要求1所述的微型光学角度传感器，其特征在于，所述发光组件与所述光电探测器集成于一体。

5.如权利要求1所述的微型光学角度传感器，其特征在于，当所述微型光学角度传感器呈0°放置时，所述光电探测器成水平设置；所述发光组件设置于所述光电探测器的中间位置且所述光电探测器为一完整平面，以在0°～180°范围内进行角度检测。

6.如权利要求1所述的微型光学角度传感器，其特征在于，当所述微型光学角度传感器呈0°放置时，所述光电探测器成竖直设置；所述发光组件设置于所述光电探测器的中间位置且所述光电探测器包括多个独立的光电传感器，以通过每个光电传感器接收到的测试光的光强，在0°～360°范围内进行角度检测。

7.如权利要求6所述的微型光学角度传感器，其特征在于，每个所述光电传感器的面积等大，且多个所述光电传感器围成圆形。

8.如权利要求1所述的微型光学角度传感器，其特征在于，所述壳体包括透明壳体。

9.如权利要求1所述的微型光学角度传感器，其特征在于，所述液体介质包括透明液体。

10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至9任一项所述的微型光学角度传感器。

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