CN1548921A - 一种重力感应倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用重力产生倾角信号的传感器。本发明是一种重力感应倾角传感器，包括带有腔体的外壳，位于腔体内侧的感应元件，以及与感应元件连接的传输电路，所述传输电路将感应元件与外接设备连通；其特征在于所述的传感器还包括位于腔体内的重力感应物，所述的重力感应物受重力作用可以运动，停留在腔体的势能低点，并作用于相应位置的感应元件，使所述的感应元件产生信号，以确定所述外接设备的倾角。本发明可以为各种设备提供当前位置倾角信号，为智能地自动地处理信息提供方便。另外，本发明的技术方案简单、方便，成本低廉，应用广泛，既可以应用于二维领域，也可以应用于三维领域，为使用者带来了极大的方便。

Description

一种重力感应倾角传感器

技术领域

本发明涉及一种为各类设备提供当前位置倾角状态电子信号的传感器，尤其涉及一种利用重力产生倾角信号的传感器。

技术背景

位置状态是指物体自身上下、左右、前后三个方向轴线与水平线或垂直线的关系，如哪个方向向上或向下，物体自身轴线与水平线或垂直线所成的角度等。很多设备的正常工作与设备本身当前的位置状态有关，在数字化时代，这类设备的种类数量越来多，应用越来越广，如数码相机、数码摄像机、各类显示屏、仿真系统等。以数码相机为例，拍出的图像与拍摄时相机的位置状态有直接关系，横持相机与竖持相机拍出的图像如不经处理，再现显示出来时，会有方向上的不同，不经过处理就不便于观看。很多可移动的显示装置如显示屏、投影仪、手机屏幕等，所显示的图像的上下方向在显示屏上是固定的，当显示屏横置或倒置时，图像很不方便观看。另外，有些设备工作时需要首先校正水平，目前都是靠人工校准。目前还没有一种传感器能够为在无人工干预情况下智能地处理这一问题提供信号采样的支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用重力产生位置状态倾角信号的传感器，为各种设备提供当前位置倾角信号，为智能地自动地处理信息提供方便。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种重力感应倾角传感器，包括带有腔体的外壳，位于腔体内例的感应元件，以及与感应元件连接的传输电路，所述传输电路将感应元件与外接设备连通；

其中所述的传感器还包括位于腔体内的重力感应物，所述的重力感应物受重力作用可以运动，停留在腔体的势能低点，并作用于相应位置的感应元件，使所述的感应元件产生信号，以确定所述外接设备的倾角。

所述的感应元件为光敏元件，所述的腔体为一面透明腔体，所述的重力感应物为不透光重力感应物，所述不透光重力感应物可在透明腔体内运动，停留在势能最低点，遮挡住处于相应位置的光敏元件，产生相应的倾角信号。

所述的不透光重力感应物为不透光球或者不透光锤或者不透光液体。

所述的感应元件为电极，所述的重力感应物为导体球或导体锤，所述导体球或者导体锤可在腔体内运动，停留在势能最低点并将相应位置的电极导通，产生相应的倾角信号。

所述的感应元件为磁感应元件，所述的重力感应物为磁性球或磁性锤，所述磁性球或者磁性锤在腔体内运动，停留在势能最低点，相应位置的磁感应元件产生相应的倾角信号。

所述的感应元件分布在一个平面内。

所述的感应元件分布在不同的平面内。

所述的腔体可以是球形、环形或者其他需要的形状。

所述的腔体内侧还带有凸出的阈，用于增加重力感应物位置移动的阈值，以明确重力感应物的位置。

所述的外接设备可以是数码相机、数码摄相机、投影仪、各类显示屏、仿真系统等。

由于采用了本发明的技术方案，可以为各种设备提供当前位置倾角信号，为智能地自动地处理信息提供方便。另外，本发明的技术方案简单、方便，成本低廉，应用广泛，既可以应用于二维领域，也可以应用于三维领域，为使用者带来了极大的方便。

附图说明

图1——12分别是本发明实施例1——12的的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式。

为实现上述目的，本发明的解决方案中，该利用重力产生位置状态倾角信号的传感器，包括内有空腔的外壳、感应元件、与传输电路(电路连接部分，可以包括连线、插脚或焊点)和重力感应运动物。

其中，该感应元件可以是光敏器件、电极、或磁感应器件，可依需要而设定；该重力感应物可以是不透光球或液体、金属球或锤、磁球或锤，根据光敏元件及相关条件而选定。

上述外壳内有空腔，其形状依设计需要而定，可以是球形，也可是环状管或是其他需要的异形。感应元件根据需要分布于外壳的内空腔壁上，并以连线穿过外壳与连接部分(连线、插脚或焊点)相联，感应元件的引线，可以穿过空腔壁，与外侧的连线、插脚或表面贴装的焊点相连导通。连接部分(连线、插脚或焊点)将本感应器与设备电路相连通。在对应外壳的左右、前后和垂直三个基准轴向，感应元件在腔体内壁上根据需要分布，每个感应元件都位于着相应的与左右、前后和垂直三个轴向的倾角状态下内空腔中的势能最低点。重力感应运动物置于外壳的内空腔内，受重力作用可自由运动，不受设备当前状态的影响，会停留在外壳内腔的当前势能最低点，并使对应位置的感应元件产生光、电或磁的感应作用。传感器旁的空腔内壁上可以有阈凸出，即适应运动物的凸出变化，用于增加重力感应运动物位置移动的阈值，明确运动物位置。如果没有阈凸出，空腔内的势能最低点分布原是连续的，即可以有无限多个，但感应元件是有限多个的，重力感应物可能停留在感应元件处，也可能停留在两个感应元件之间的任意位置，容易出现感应上的不清晰。在空腔内壁形状上设置阈凸出目的是使重力感应物不能停留在任意点，而只能停留在由阈凸出所限制的位置，从而使空腔内的势能最低点的数量从无限多个变为有限多个，分布离散化，且每个势能最低点对应位置都设置了感应元件。当重力感应物离开某个势能最低点时，只能停留在另一个由阈凸出限制的势能最低点，而不能停留在两个势能最低点的中间位置。在任意状态下，重力感应物只能清晰明确地对唯一一个感应元件起作用。阈凸出的作用有两点，一是使重力感应物只作用于一个感应元件，非此即彼，二感应元件位置正好在势能最低点，感应作用最充分最明确。如图8所示，即是此种情况较为清楚的表述。

采样时，重力感应运动物正发生作用的感应元件会返回一个与其他位置的感应元件不同的信号，据此确定哪个感应元件正处在当前势能最低点或最高点，经过电路和程序的后续处理，就可以知道设备当前的倾角状态了。如将一个四位置传感器应用于数码相机，四个感应元件的位置对应了拍摄时相机的四种状态。按下快门时采样，并将所采信号以程序转换为相机拍摄时的状态，并记录于图片文件中。如左侧在下竖持相机拍摄时，所拍的人物头朝相机的右向，左侧的感应元件返回不同于其他三个感应元件的信号，将这个信号记录于图片文件中，再现显示时，显示程序根据所记录的位置信号，自动将图片旋转90度并使图片左向下的方式显示，则在屏幕上看到的图像中，人头向上。

这个倾角状态信号可以用于自动调整设备水平或特定倾角。

当感应元件分布在同一平面时，本传感器可简化为二维位置传感器。

下面分别阐述本发明的技术方案

一、光学方案：

本方案是在一个密闭的空腔内，装有重力感应运动物(固体的球或深色液体)。空腔可透光进来，在对应特定位置状态倾角的势能最低点或最高点位置装有光敏元件，光敏元件可以是一个或多个，以连线穿过外壳与连接部分(连线、插脚或焊点)相联。固体的球或深色液体在空腔内自由运动，受重力和阈凸出作用停在某个光敏元件对应的势能最低点，遮挡住相应处在相应位置的光敏元件，产生相应的信号，经电路和程序处理后，转换成相应的倾角信息。

用于遮挡光线的重力感应运动物还可以是悬锤，悬锤受重力垂下，遮挡相应位置的光敏元件，产生信号。

也可采用完全密闭的空腔，并在悬锤上加发光体或使悬锤透光，悬锤的光线照在对应位置的光敏元件上，产生信号。

二、电极方案：

本方案是在一个封闭的外壳内空腔壁上根据需要设置电极，电极附着在外壳内壁，并以连线穿过外壳与连接部分(连线、插脚或焊点)相联，连接部分用于焊接或粘接在电路板上。如采用金属球，金属球在腔内可自由滚动；如采用金属锤，锤柄可与一电极相接并可自由活动，锤头可随重力摆动。当设备整体位置变化时，金属球或锤受重力运动到内腔该状态下的势能最低点，导通处在最低点的电极，产生相应的电子信号。

电极和插脚(或焊点)的数量依精度需要设置。

为保证工作顺畅，金属球可选用合金球或汞球。

为更好地导通，电极上可以有突起点。

三、磁感应方案：

本方案是在一个封闭的外壳内空腔壁上根据需要设置磁感应元件，磁感应元件附着在外壳内壁，并以连线穿过外壳与连接部分(连线、插脚或焊点)相联，连接部分用于焊接或粘接在电路板上。永磁球或锤在空腔内随重力运动到采样时的势能最低点，处在对应位置的磁感应元件会产生感应并返回一个信号，系统再将这个信号还原为倾角信号。

下面结合说明书附图来阐述几个本发明的具体实施例：

实例1采用的感应元件是光敏元件，是一个二维三位置传感器。如图1所示，实例1包括密闭空腔外壳11，光敏元件12和14，遮挡物13，密闭空腔外壳11内壁上有阈凸出15。密闭空腔11外面为透光面16，在密闭空腔11内装进遮挡物13(固体球或不透明液体)在左右两角透光面的对面腔壁上各装一个光敏元件12和14，密闭空腔11的形状设计上采用了增加遮挡物13位置变化阈值的阈凸出15。当用于数码相机或摄像机时，能提供相机左端朝上和右端朝上两个位置信号，默认正常值，可以给出相机横拍与竖拍图像的位置信号供电路或程序处理。按图中“上”方向固定于相机的电路板上，外壳前面透光面6朝外。当竖向持相机拍照时，遮挡物受重力影响落到到左角或右角，按下快门时，未被遮挡的光敏元件受光，而被遮挡的光敏元件不受光，两者返回不同的信号。电路接到光敏元件返回的信号后，记录于这次所拍的图像中，后期程序将这一图像自动处理成逆时针或顺时针旋转90度，再现显示时，不需任何人工干预，程序处理后就可以看到与拍摄时位置相同的图像了。如正持相机，则左右光敏元件均有相同信号返回，取默认值，图像不做任何处理。实例1可装在相机的面板上，直接接受自然光。也可装在图形再现装置上，如装在显示屏上，在改变显示屏位置时，通过程序调整始终看到正向向上的图像，对于不是正方形或圆形的图像的再现可以通过调整显示屏的位置得到更好的观查效果，如四比三的图像在三比四的屏幕上正向显示时，只能用到一半多一点(9/16)的面积，如果将屏幕旋转90度，则可用全部面积来显示图像。

实例2采用的感应元件是光敏元件，是一个二维四位置传感器，能提供设备正常、左端朝上、右端朝上和下端朝上四个位置信号，供电路或程序后期处理。如图2所示，实例2包括密闭空腔外壳21，光敏元件22、23、24和25，遮挡物26(固体球或不透明液体)，密闭空腔外壳21内壁上有阈凸出27。如图2所示，密闭空腔1前外面为透光面28，在密闭空腔21内装进遮挡物26，在四角透光面28的对面腔壁上各装一个光敏元件22、23、24和25，密闭空腔21的形状设计上采用了增加遮挡物23位置变化阈值的阈凸出27。按图中“上”方向固定于设备外面板上，光线透过透光面28射入空腔21，未被遮挡的光敏元件可接受光线工作。遮挡物26受重力影响，总会遮挡四个光敏元件中的一个。采信号时，被遮挡的光敏返回与另三个光敏不同的信号，供电路或程序处理。实例2用于手机屏幕上的图形再现可以支持手机屏幕随时调整图像，始终保持正向朝上，尤其有意义。

实例3采用的感应元件是光敏元件，是一个二维多位置传感器，能提供设备某一角度朝上的位置信号，供电路或程序后期处理。如图3所示，实例3采用一个正面透明的环31，环中空，放入固体球或注入适量不透明液体32。环透明面34对面内壁按精度需要安置光敏元件33。采样时，被挡住的光敏元件返回一个与未被遮挡的光敏元件不同的信号，供电路或程序处理。图示采用的是不透明液体，液体基本充满环31，只有一个气泡。这个气泡位于势能最高点，气泡使光线照射在处在当时势能最高点的光敏元件上，使返回一个信号，获得哪个位置朝上的信号，供电路或程序处理。

实例4采用电极作为感应元件，是一个三脚二维三位置传感器，可用于数码相机或摄像机，能提供相机左端朝上和右端朝上两个位置信号，默认正常值，可以给出相机横拍与竖拍图像的位置信号供电路或程序处理。如图4所示，实例4包括外壳41、电极42、43和44，金属球45。按图中“上”方向固定于相机的电路板上。当左角向下竖向持相机拍照时，金属球滚到左角，按下快门时，电路给电极42一个信号，由于金属球将电极42与电极44导通，电极44返回一个信号，而电极43则不能返回一个信号。电路接到电极44的信号后，记录于这次所拍的图像中，后期程序将这一图像自动处理成逆时针旋转90度，再现显示时，不需任何人工干预，就可以看到与拍摄时位置相同的图像了。如果相机向另一方向竖持，则43电极返回信号，图像自动顺时针旋转。如正持，则电极43、44均无信号返回，取默认值，图像不做任何处理。为了更好地达到传输信号的目的，金属球采用了汞球，电极上有若干针状突起。

实例5中也是一个三脚二维三位置传感器，功能基本与实例4相同，能提供相机左端朝上和右端朝上两个位置信号，默认正常值，可以给出相机横拍与竖拍图像的位置信号供电路或程序处理。如图5所示，其包括外壳51，电极52、53和54，摆锤55。按图中“上”方向固定于相机的电路板上。当竖向持相机拍照时，金属锤55摆到左角，按下快门时，电路给电极52一个信号，由于金属摆锤55将电极52与电极54导通，电极54返回一个信号，而电极53则不能返回一个信号。电路接到电极54的信号后，记录于这次所拍的图像中，后期程序将这一图像自动处理成逆时针旋转90度，再现显示时，不需任何人工干预，就可以看到与拍摄时位置相同的图像了。如果相机向另一方向竖持，则53电极返回信号，图像自动顺时针旋转。如正持，则锤头摆不接触电极53或54，电极53、54均无信号返回，取默认值，图像不做任何处理。

实例6中是一个可用于数码相机或摄像机的五脚二维四位置传感器。工作原理与实例4基本相同。如图6所示，实例6包括外壳61、电极62、63、64、65和66，金属球67，其中电极62位于与电极63、64、65、66和对应的位置。金属球67受重力作用，在不同位置下将电极62分别与当时处在势能最低点的电极63或64、65、66导通，能提供四个方向向上的位置信号。在移动屏幕显示上有特殊作用。如用于手机，可随时调整手机屏幕上图像的朝向。

实例7中是一个25脚二维24方向位置传感器。如图7所示，其包括外壳71，环形电极72，24个位置电极73，插脚74，金属球75。一个插脚连接内部一个环形电极72，其他插脚连接位置电极73，位置电极73均匀分布在外壳71的底部的一个圆周上，各电极间夹角相同。金属球采用了汞球。当金属球受重力影响在内腔移动时，将环形电极72与24个位置电极73中的一个导通，产生相应的位置信号供电路处理。实例7的传感器有25个脚，精度为15度，根据需要还可改变位置电极的数量。

实例8是一个高精度三维多位置传感器。如图8所示，其包括外壳81，外壳内壁为球面形，内壁上均匀分布着点状电极82，点状电极之间是网状电极83，金属球84。网状电极83在内壁形成很多蜂窝，蜂窝大小与金属球84相匹配，网状电极凸起以使金属球位置更清晰，图示为内避局部。网状电极为接收端，点状电极联接在一个编码器控制上。工作时，编码器顺序给每个点状电极输入一个信号，金属球将处在最低点的点状电极与相邻的网状电极导通，在网状电极的输出端即输出了该电极对应的信号，经后续程序处理，可知传感器当前的位置状态。也可以先将信号输送给网状电极，然后顺序检查点状电极，返回相应信号的那个点状电极就是处在最低位置的。

实例9中是一个五脚二维四位置传感器。如图9所示，其包括外壳91，悬锤92，电极93、95、96、97、98(电极98在电极97的对面，图上未示)，插脚94，采用了一个一端与电极96绞接相连的金属锤，锤头可自由运动。受重力吸引，锤头会落在另四个电极93、95、97、98中的一个上，从而导通其与电极96的连接，提供相应的位置信号。锤杆可有一定柔性。

实例10与实例5基本相同，如图10所示，其与实施例5所不同的是所采用的电极是两个距离很近的弹性金属片103和104，位置在金属锤杆靠根部，金属锤受重力影响下垂时，锤杆会压在弹性金属电极片上，使电极103或104与电极102导通。由于杠杆原理，放大了锤头的压力，增加了敏感程度。

实例11采用的传感器为磁感应元件，如图11所示，其包括外壳111、悬锤112、磁感应元件113和114、永磁锤头115。永磁锤头115受重力影响接近磁感应元件113或114时，使磁感应元件发生感应，向电路返回一个信号。

实例12采用的传感器为磁感应元件，如图12所示，其包括外壳121、永磁球122、磁感应元件123和124。永磁球122受重力影响接近磁感应元件123或124时，使磁感应元件发生感应，向电路返回一个信号。

以下举例说明本发明的几个具体的应用：

1、具有方向感的显示器

在一个普通显示器或投影仪上安装一个方向传感器，从方向传感器得到显示器的重力上方向(即哪一边在上)的信号，传送回主机。主机及应用程序根据显示器或投影仪的位置变化，改变向显示器或投影仪传送图像的方式，将图像的重力上方向与显示器或投影仪的重力上方向一致。

这样无论显示器或投影仪哪面朝上，都可以自动获得正确的显示图像。对于显示区域不是正方形的显示器或投影仪，主机还可以改变显示的比例，获得特殊效果。如在WORD编辑时，如将显示器转动90度，可以获得横向尺寸小于纵向尺寸的编辑界面，更适合编辑人员使用。

2、具有方向感的数码像机与摄像机

在数码像机或摄像机安装一个方向传感器，拍摄时，从方向传感器上采样，记录拍摄时被拍物体的重力上方向，供再现程序使用。

再现时，再现程序首先读取文件中的重力上方向信号，将图像转换，使显示出来的图像重力上方向与显示装置的上方向一致。

这样，无论拍摄时或再现时设备如何放置，都能自动获得与被拍物体一致的重力上方向，合乎人习惯。

3、具有方向感的手机

在手机中安装一个方向传感器，随时取得手机上方向与重力上方向的关系。在拍摄图像时，记录图像的中的重力上方向，再现图像时，恢复图像的重力上方向。

采用本发明上述的实施例，可以设计出适用于二维、三维不同空间环境要求与精度要求的感应器，下面比较说明各实施例的合适的应用。

方案树：                      三脚两位    多脚多位    三维

一、光学方案

1、摭挡球方案

1)固体球方案                  yes         yes         yes

2)液体方案

A.少挡方案                    yes         yes         yes

B.多挡方案                    yes         yes         yes

2、悬锤方案

1)摭挡光方案                  yes         yes         no

2)悬锤发光方案                yes         yes         yes

二、电极方案

1、金属球方案

1)固体球方案                  yes         yes         yes

2)液体球方案(汞方案)          yes         yes         yes

2、金属锤方案

1)锤头导通方案                yes         yes         no

2)弹性电极方案                yes         no          no

三、磁感应方案

1、磁球方案                   yes         yes         yes

2、磁锤方案                   yes         yes         no

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1、一种重力感应倾角传感器，包括带有腔体的外壳，位于腔体内侧的感应元件，以及与感应元件连接的传输电路，所述传输电路将感应元件与外接设备连通；

其特征在于所述的传感器还包括位于腔体内的重力感应物，所述的重力感应物受重力作用可以运动，停留在腔体的势能低点，并作用于相应位置的感应元件，使所述的感应元件产生信号，以确定所述外接设备的倾角。

2、如权利要求1所述的重力感应倾角传感器，其特征在于所述的感应元件为光敏元件，所述的腔体为一面透明腔体，所述的重力感应物为不透光重力感应物，所述不透光重力感应物可在透明腔体内运动，停留在势能最低点，遮挡住处于相应位置的光敏元件，产生相应的倾角信号。

3、如权利要求2所述的重力感应倾角传感器，其特征在于所述的不透光重力感应物为不透光球或者不透光锤或者不透光液体。

4、如权利要求1所述的重力感应倾角传感器，其特征在于所述的感应元件为电极，所述的重力感应物为导体球或导体锤，所述导体球或者导体锤可在腔体内运动，停留在势能最低点并将相应位置的电极导通，产生相应的倾角信号。

5、如权利要求1所述的重力感应倾角传感器，其特征在于所述的感应元件为磁感应元件，所述的重力感应物为磁性球或磁性锤，所述磁性球或者磁性锤在腔体内运动，停留在势能最低点，相应位置的磁感应元件产生相应的倾角信号。

6、如权利要求1所述的重力感应倾角传感器，其特征在于所述的感应元件分布在一个平面内。

7、如权利要求1——6任意一项所述的重力感应倾角传感器，其特征在于所述的感应元件分布在不同的平面内。

8、如权利要求1——6任意一项所述的重力感应倾角传感器，其特征在于所述的腔体可以是球形、环形或者其他需要的形状。

9、如权利要求1——6任意一项所述的重力感应倾角传感器，其特征在于所述的腔体内侧还带有凸出的阈，用于增加重力感应物位置移动的阈值，以明确重力感应物的位置。

10、如权利要求1——6任意一项所述的重力感应倾角传感器，其特征在于所述的外接设备可以是数码相机、数码摄相机、投影仪、各类显示屏、仿真系统等。

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