JP2004361372A - Angle measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば柱や梁などの建築部材に取付け、これら建築部材の傾斜角を測定したり、測量機の本体等に取り付けて本体等の傾斜角を測定する装置に関するものであり、特に、微小な角度変化を高精度で測定できる電子式の角度測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、傾斜角等の測定装置あるいは検出器として、従来の目視式の角度測定器に代わり、気泡管に封入された気泡の位置変化を電気信号に変換して微小な角度変位を測定する方式(電子式)の角度測定器が提案され使用され始めている。
電子式の微小角度変位測定器としては、気泡管内に配置された電極相互間の抵抗あるいはインピーダンス変化に基づいて角度を測定する方式のもの(例えば、特許文献1および特許文献2参照)、気泡の変位量を光学的に検出して角度を測定する方式のもの(例えば、特許文献3および特許文献4参照)などがある。
【0003】
【特許文献1】特開平6−258076号公報(第2頁、図1)
【特許文献2】特開平9−250923号公報(第2頁〜第3頁、図1)
【特許文献3】特開平9−280857号公報(第2頁〜第3頁、図1〜図3)
【特許文献4】特開平10−332367号公報(第2頁〜第3頁、図1〜図2)
【0004】
特許文献1には、所定曲率を有する管状部材に導電性液体と気泡を封入し、導電性液体に浸漬した2つの電極の抵抗値に基づいて電気的に傾斜角を測定することが開示されている。
【0005】
特許文献2には、常に電解液に浸漬して気泡に触れないコモン電極と、コモン電極よりも高く突出し且つ水平状態では気泡に触れないようにして電解液に浸漬した複数の周囲電極とを有し、水平状態では周囲電極相互間のインピーダンスが所定値の比率となり、傾斜したときにおける周囲電極のインピーダンスの変化から傾斜角を電気的に測定することが開示されている。
【0006】
特許文献3には、液体および気泡を封入した気泡管を挟む一方の側に発光素子を配設するとともに、気泡管を挟む反対側に気泡管の長手方向に沿って2個の受光素子を並設配置し、発光素子から発光された光が気泡管に封入された液体あるいは気泡を通って2個の受光素子で受光されるようにして,2個の受光素子の受光量の差により傾斜角度を検知する方法が提案されている。
【0007】
特許文献4には、ドーム状の気泡管において、上下方向の一方向から光を照射し、気泡管を通過した光をCCD素子で受光することにより気泡に対応する像の画像信号を出力し、該画像信号を直交する2方向の端から順次スキャンして気泡の輪郭線との交点から気泡の中心位置を求めて傾斜角を演算することが提案されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1あるいは特許文献2などに開示されている傾斜角測定方式は、電極の電解液中に浸漬された部位の抵抗あるいはインピーダンス変化に基づくものである。しかし、このような方式のものにおいては、周囲温度の変化によって生ずる電解液の膨張や収縮による影響、電解液の表面張力による接触面の不安定化、電解液の経時変化などが誤差の要因となり、高精度の角度測定が難しい。
【0009】
また、特許文献3あるいは特許文献4などに開示されている傾斜角測定方式は、発光源から出て気泡管内に封入された気泡および液体を通過する光の量あるいは像を受光素子で検出し電気信号変換する方式のものである。しかし、これら方式においても、周囲温度の変化によって生ずる電解液の膨張や収縮による影響は基本的に解消されていない。このため、例えば、特許文献4に開示された方式では圧力調整手段を備えている。
【0010】
また、受光素子と気泡の位置関係に起因する受光素子の不感部分や光量不足などによる測定誤差への影響等の問題もある。例えば、特許文献4に開示された方式においては、気泡管がドーム状(お椀を伏せた形状)であるため、平板状のCCD素子を用いた場合には、気泡とCCD素子間の距離が変化してドーム中心部を離れるにしたがって不鮮明な画像情報となる。一方、ドーム形状に沿った曲面状のCCD素子を製作することは困難であり高価なものとなるため実用的でない。更にまた、特許文献4に開示された方法では、光を気泡上面側から入射し、気泡および気泡下面に存在する液体を通過した光を受光しなければならないため、特に気泡周縁部分における受光量の変化量が小さくなり、気泡輪郭部の画像情報が必ずしも明瞭ではない恐れがある。
【0011】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、周囲温度の変化による影響の少ない、高精度な電気式の傾斜角検出装置を提供することを課題とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、少なくとも対向する二壁面が光透過性部材により構成された壁面を有する閉塞された室と、前記室内に気泡を有するようして封入された液体と、前記光透過性部材からなる二壁面のうちの一方の壁面側に配された光源と、前記光透過性部材からなる二壁面のうちの他方の壁面側に配設されたCCD素子と、CCD素子の画像情報に基づいて傾斜角を算出する情報処理手段とを有する傾斜角測定装置であって、所定深さ位置における気泡両側部分の気泡と液体の境界位置を前記CCD素子により検知し、検知した気泡両側部分の境界位置情報から気泡の中心位置を算出し、基準位置からの気泡の変位量に基づいて角度を測定することを特徴とするものである。
【0013】
本発明において、上記光透過性部材としては、通常、透明なガラス板や樹脂板を使用するが、使用する発光源の光に対応して当該光源の光を透過できる公知の有色部材等を使用することができる。
本発明において、上記光透過性部材からなる壁面は、基本的に、被測定角度の変位方向面と平行になるように配設する。また、本発明において、上記光透過性部材からなる壁面は,上記気泡の側面が自由面とならないように近接して配設することが望ましい。このように配設することにより、気泡の両側面が規制されて平行な二側面を形成し、光透過性部材からなる壁面と気泡の間に液体がほとんど存在しないようにできるので、所定深さ位置における気泡両側部(気泡移動方向の前後端)での気泡と液体の境界部分の輪郭をより鮮明に検知することができる。
【0014】
本発明において,上記閉塞された室を構成する壁面のうち、光透過性部材からなる二壁面以外の壁面を構成する部材は透明体あるいは不透明体のいずれでも良い。しかし、気泡が接して移動する気泡上面の壁面を構成する部材は、極めて精密な加工を施し得ることが重要であり、かかる観点からは金属部材を用いることが望ましい。
すなわち、上記閉塞された室を構成する壁面のうち、少なくとも気泡上面が接して移動する上側壁面は、基準位置(通常は傾斜角がゼロの場合)で気泡がほぼ中央部に位置するように、かつ所定の角度変位で所定の距離を気泡が移動するように、上側に凹むような曲線形状に所定の曲率で精密に形成されていなければならない。
また、本発明において、上記室の形状は、測定対象とする角度に対応して,円弧(アーク)状,円筒状あるいは円柱状としても良い。
【0015】
本発明において、閉塞された室内に密封される液体としては、この種の気泡管において通常使用されている液体、例えば、ジエチルエーテルとエチルアルコールの混合液にヨウ化カリウムを添加した液体等、公知のものを適宜用いることができる。
【0016】
本発明において,CCD素子は、測定角度範囲内で移動する気泡の移動距離以上の長さ範囲に亘り画素が配列されているものを使用する。このCCD素子を、上側壁面の稜線にほぼ平行に、かつ近接して配設する。このように構成することにより、得られるCCD画像情報信号から気泡の変位量を求めることができる。なお、閉塞された室の形状が円弧状等の場合には、直線状のCCD素子を上側壁面の稜線に沿って配設することが難しいが、この場合には、気泡の移動する全範囲をカバーする大きさの画素配列を有するCCD素子を用い、測定角度に対応して気泡両側境界位置を検出する画素を選択し、室の上側壁面から略一定の距離(気泡深さ位置)で境界位置を検知するようにすれば良い。
【0017】
詳細は後述するが、本発明においては、気泡における所定深さの位置を横断する少なくとも1つの仮想線と気泡−液体境界線とが交差する二つの点を検知することにより気泡の位置を求める。このため、原理的には、画素情報取り込み対象とするCCD受光素子の画素配列は1列で良いが、検出精度を向上させるために複数列の画素情報を取り込み対象としても良い。
本発明において、気泡の位置は、気泡両側端の気泡と液体の境界位置を検知し、該気泡両側端の境界位置から演算して気泡の中心位置を算出する。このため、周囲温度の影響等で気泡の大きさが変化しても求められる気泡の中心位置は変わらないので、従来問題であった周囲温度の影響等を極めて小さくできる。
【0018】
本発明においては、気泡が移動する方向に対して平行に光透過性の壁面で、気泡の気泡の両側を挟み込むように構成しているので、基本的に気泡の動く方向が規定されて移動する。このため、測定しようとする方向の角度のみを正確に測定できる。また、一対の光透過性壁面が、基本的には気泡の自由径以下の間隔で対向配置されているために、気泡と光透過性の壁面間に存在する液体が比較的少ない。このため、気泡部分を通過した光と液体部分を通過した光の量(強度)には大きな差異があり、気泡と液体の境界部を明瞭に認識することができる。
また、光透過性壁面は平板状であるため、発光素子および受光素子とも、簡単な構造で安価な平板状長尺CCD素子が使用可能である。また、気泡とCCD受光素子間の距離が変化しないために、検出される画像情報信号の信頼性(精度)が高い。
【0019】
本発明の角度測定装置は、まず、基準角度の状態(例えば、傾斜していない水平状態など)での気泡の中心位置を基準点として記憶させる。次いで、所定の角度変化における気泡の移動位置を順次測定して記憶回路に記憶保存し、実測時には、この保存記憶した基本データを参照して角度を測定する。
例えば、本発明の角度測定装置を測量機の本体に取り付けて使用する場合には、まず、取付けた状態で基本データを採取・記憶させ、次いで実測することになる。なお、例えば経時変化等が原因で、傾斜しない状態で基準点と気泡の中心位置とが一致しない状態になることもあるが、そのような場合は、必要に応じて基準点の位置等を適宜調整することが望ましい。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下,本発明の一実施形態について図面を参照して詳述する。
図1および図2は、本発明の一実施形態における検出部の概略構成説明図および構成部材説明図である。図1および図2において、1は基体であり、図2に示すように中央部にほぼ長方形の貫通した窓部2が形成されている。窓部2の上側壁面は基準位置(通常は角度がゼロの場合)で気泡がほぼ中央部に位置するように所定の曲率で上側に凹むような曲線形状に仕上げてある。
3a,3bは光透過性の材料からなる平板部材である。本実施形態においては、基体1の両側面に同じものを配設しているが、異なる材質,形状としても良い。
【0021】
図1は、本実施形態における検出部の概略構成説明図である。なお、図1(A)はa−a断面で示す立面図、図1(B)はb−b断面で示す側面図である。基体1の両側面に平板部材3a、3bが接着剤で密着固定され、閉塞されたほぼ直方体形状の室4が形成されている。本実施態様においては、室形状をほぼ直方体状としているが、測定対象角度によっては、円弧状(アーク状)あるいは円筒状などの形状を採用しても良い。
閉塞された室4内には、注入孔(図示省略)から注入された液体5を気泡6が形成されるようにして充填され、密封されている。また、光透過性材料からなる一方の壁面3aの外側面には光源7を取り付けてあり、対向する他方の光透過性材料からなる壁面3bの外側面であって室4の上側壁面近傍にはCCD素子8を取り付けてある。
上記構成とすることにより、光源7から出射された光が、気泡及び/または液体を通過してCCD素子8に到達し、受光される。光源7から出射される光は、できれば平行光線であることが好ましいが、必ずしも平行な光線である必要はない。また、閉塞した室内には、光源7から出射された光以外に入射光が存在しないように構成することが、ノイズを少なくするために好ましい。なお、本実施形態では、光源7を特別に取り付けたが、場合により、光源7を特に設けないで、周囲光を光源としても良い。
【0022】
CCD素子8は、少なくとも,密閉された室4の上側壁面に沿って移動する気泡の移動範囲の全域に亘って受光できる構成のものとする。すなわち気泡が移動する範囲の全長以上の範囲に亘って画素が配列されている構成のものを使用する。また、その設置位置は、上側壁面近傍の窓部外面で、かつ上側壁面の稜線にほぼ平行な長手方向に配設する。
図3は、本実施態様における気泡中心位置の測定方法を説明するための概念図である。なお、図3は、説明の便宜上、気泡の大きさに比べてCCD受光素子の画素を極めて大きく示し、また、基体1の上側壁面9にほぼ平行に1列のCCD素子の画素を配置し、簡略化して示してある。
図において、気泡6Aは基準角度における気泡の位置であり、その中心位置(すなわち基準位置)がn番目の画素の位置に対応するものとする。次に、角度αで傾斜している場合の気泡を気泡6Bとすると、基準位置からの気泡6Bの移動距離Lは、次のようにして求められる。光源7から出た光は、気泡あるいは液体中を通ってCCD素子8で受光されるが、気泡と液体とでは光の透過率が異なるため、CCD素子8における気泡部に対応する画素からの検知情報信号と液体部分に対応する画素からの検知情報信号との間には差違を生ずる。
説明を簡単化するために、図3においては、各画素の検知情報を2値化して、液体中を通ってきた光を受光した画素を黒丸で、気泡中を通ってきた光を受光した画素を白丸で表示した。図に示すように気泡を通過した光を受光した画素と、液体を通過した光を受光した画素とは、明確に判別することが出来る。
【0023】
図3において、気泡Bの左側端部における気泡と液体の境界位置に該当する画素をP1とし、右側における気泡と液体の境界位置に該当する画素をP2とする。気泡は表面張力によりほぼ円弧状に形成されているので、P1およびP2は気泡の中心位置に対して対象な位置に存在する。画素P1がn+m番目であり、画素P2がn+m+d番目(ここで、dは画素P1とP2間に存在する画素数に相当する)であるとすると、気泡の中心位置に相当する画素は、n+m+d/2番目に位置することになる。
角度αに対応する気泡の移動量は、当該角度における気泡の中心位置に対応する画素と角度ゼロの気泡の中心位置に対応する画素との間に存在する画素数に画素の配列ピッチを乗ずることにより求めることができる。すなわち、角度αでの気泡中心位置に対応する画素位置はn+m+d/2であり、角度ゼロでの気泡中心位置に対応する画素位置はnであるから、両画素位置間に存在する画素数は(n+m+d/2)−n=(m+d/2)である。したがって、気泡の移動距離は、配列ピッチをpとすれば、(m+d/2)×pで求められる。
【0024】
図4は、本実施態様における情報処理手段10についての概略構成説明図である。図において、11は被角度測定物、12は検出部、13は検出部12に設けられたCCD受光素子部、14はCCD駆動回路、15は画素情報認識回路、16は演算回路、17は記憶回路、18は表示手段である。
被角度測定物11に取り付けた検出部12のCCD受光素子部13は、CCD駆動手段14により駆動され、スキャンされた各画素からの検知情報信号が画素情報認識回路15に入力される。画素情報認識回路15では、各画素からの検知情報信号を処理して、気泡両側部の境界位置情報を認識する。この認識された境界位置情報信号を、演算回路16に入力することにより気泡の中心位置が算出されとともに、あらかじめ記憶回路17に記憶した基準位置を参照して気泡の移動量が算出され、移動量に対応した基準位置からの角度変位が求められる。
演算回路16により得られた角度情報信号の出力は、表示手段18等に入力され角度表示される。また、図示はしないが、この角度情報信号出力を印刷手段に入力することにより印刷したり、警報手段に入力することで警報を発したりすることができる。
【0025】
上記の実施形態においては,基体および光透過性部材とも平板状としたが、本発明はこの形状に限定されるものではない。例えば,基体の室の形状をアーク状(円弧状)、円筒状(リング状)、あるいは円柱状に形成してもよい。また、あるいは両部材の結合が良好に行えるような嵌め合い部を設けるなど、形状的には種々の変更が可能である。
また、本発明のおける情報処理手段の構成は、上記実施態様に示した構成に限定されるものではなく、その作用・効果を妨げない範囲で種々の回路構成を取りうることは言うまでもない。
上述したように、本発明においては,気泡の両側端部の位置を検知し、両側端部の位置の中央位置を気泡の中心位置として算出しているため、周囲温度による気泡の膨張・収縮の影響を受けることなく気泡の位置、換言すれば角度を正確に測定することができる。
【0026】
【実施例】
アルミ板を加工して、幅10mm×長さ40mm×奥行8mmの窓2を有する幅40mm×長さ80mm×厚さ8mmの基体1を作成した。窓4の上壁面は、ワイヤソーを用いて半径7mの曲率で精密に加工仕上げしてある。なお、基体1の一側面には、そのほぼ中央部に窓2まで貫通する注入孔を穿設した。
光透過性材料としては無色透明のガラス板を用い、幅40mm×長さ60mm×厚さ2mmの平板3を2枚作成した。この2枚のガラス平板3a,3bを基体1の両面に接着剤を使用して密着固定し、対向する2面がガラス壁面からなる閉塞された室4を形成した。
次に、所定の大きさの気泡が形成される状態まで、前記注入孔からジエチルエーテルとエチルアルコールの混合液にヨウ化カリウムを添加した液体を注入した後、注入孔を密封した。
【0027】
次いで,一方のガラス壁面の外側部に複数の発光素子(LED)を配列した平面型発光素子7を固着し、対向する他方のガラス壁面外側部にはCCD受光素子を固着配設した。CCD受光素子としてはコダック社製リニアイメージセンサKLI−2113を使用した。このCCD受光素子は、画素数が2122個×3列配置、画素寸法14μm×14μmのものである。
CCD受光素子の画素列が窓4の上壁面の稜線より約0.5mm下で、かつ上側壁面の稜線にほぼ沿うように受光素子を固着した。
次に、注入孔から液体5を注入し、適当な大きさの気泡6が形成された状態で注入孔を塞いで密封して、検出部を作成した。
【0028】
まず、この気泡装置を角度基準装置に取り付け、傾斜ゼロにおける気泡の中心位置および任意の角度変位における気泡の中心位置をあらかじめ測定し、角度と気泡の中心位置との相関性についての基本位置情報データを記憶手段に記憶させた。図5は、本実施例における角度と気泡の中心位置の移動量との相関曲線図である。本実施例の場合には、角度と気泡移動量とはほぼ直線関係にあることがわかる。
次に、本実施例による検出部を建築部材に取り付け、実際の角度を測定したところ、0.01mm/1000mmの精度で角度を測定することができた。
【0029】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、気泡の両側端位置から気泡の中心位置を求めているため、外部温度の影響による気泡の大きさの変化とは無関係に気泡の中心位置を捉えることができ、外部温度の影響を極めて少なく出来る効果がある。また、気泡の側面から光を照射し受光しているため、極めて明瞭に気泡の両側端位置を検知することができるため、高精度の角度測定をすることができる。このため、本発明による角度測定装置は、建築現場などにおいて建築機器・部材等の角度を測定するなど、精密な角度測定が要求される多くの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施態様における検出部の部分断面説明図、
【図2】本発明の一実施態様における検出部構成部材の部分説明図、
【図3】本発明における角度測定方法についての概略説明図、
【図4】本発明に一実施態様における情報処理手段の概略説明図、
【図5】本発明の一実施例における角度と気泡移動量との相関図、
【符号の説明】
1:基体
2:窓部
3:光透過性部材
4:閉塞された室
5:液体
6:気泡
7:発光源
8:CCD受光素子
9:上側壁面
10:情報処理手段
11:被角度測定物
12:検出部
13:CCD受光素子部
14:CCD駆動回路
15:画素情報認識回路
16:演算回路
17:記憶回路
18:表示手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus that is attached to a building member such as a column or a beam, for example, and that measures the inclination angle of these building members, or that is attached to a main body or the like of a surveying instrument to measure the inclination angle of the main body or the like. The present invention relates to an electronic angle measuring device capable of measuring a minute angle change with high accuracy.
[0002]
[Prior art]
In recent years, instead of a conventional visual angle measuring device as a measuring device or a detector for measuring an inclination angle, a method of measuring a minute angular displacement by converting a change in the position of a bubble sealed in a bubble tube into an electric signal ( Electronic angle measuring devices have been proposed and are being used.
As an electronic micro-angular displacement measuring device, a device for measuring an angle based on a change in resistance or impedance between electrodes arranged in a bubble tube (for example, see Patent Documents 1 and 2), There is a method of measuring the angle by optically detecting the amount of displacement (for example, see Patent Literature 3 and Patent Literature 4).
[0003]
[Patent Document 1] JP-A-6-258076 (
[Patent Document 2] JP-A-9-250923 (
[Patent Document 3] JP-A-9-280857 (
[Patent Document 4] Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-332367 (
[0004]
Patent Literature 1 discloses that a conductive liquid and bubbles are sealed in a tubular member having a predetermined curvature, and an inclination angle is electrically measured based on resistance values of two electrodes immersed in the conductive liquid. I have.
[0005]
[0006]
Patent Document 3 discloses that a light emitting element is disposed on one side of a bubble tube in which liquid and bubbles are sealed, and two light receiving elements are arranged on the opposite side of the bubble tube along the longitudinal direction of the bubble tube. And the light emitted from the light emitting element is received by the two light receiving elements through the liquid or the air bubble sealed in the bubble tube, and the inclination angle is determined by the difference between the light receiving amounts of the two light receiving elements. Has been proposed.
[0007]
In Patent Document 4, in a dome-shaped bubble tube, light is irradiated from one direction in the vertical direction, and light passing through the bubble tube is received by a CCD element to output an image signal of an image corresponding to the bubble, It has been proposed to scan the image signal sequentially from two orthogonal ends to determine the center position of the bubble from the intersection with the outline of the bubble and calculate the tilt angle.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The tilt angle measurement method disclosed in Patent Literature 1 or
[0009]
Further, in the tilt angle measurement method disclosed in Patent Document 3 or Patent Document 4, an amount of light or an image which is emitted from a light emitting source and passes through a bubble and a liquid sealed in a bubble tube is detected by a light receiving element. This is a signal conversion method. However, even in these systems, the effects of expansion and contraction of the electrolyte caused by changes in the ambient temperature are not basically eliminated. For this reason, for example, the system disclosed in Patent Document 4 includes a pressure adjusting unit.
[0010]
In addition, there is a problem that a dead portion of the light receiving element due to the positional relationship between the light receiving element and the air bubble and an influence on a measurement error due to an insufficient light amount, and the like. For example, in the method disclosed in Patent Document 4, since the bubble tube has a dome shape (a shape in which a bowl is turned down), when a flat CCD device is used, the distance between the bubble and the CCD device changes. As the distance from the center of the dome increases, the image information becomes blurred. On the other hand, it is not practical to manufacture a curved CCD element along the dome shape because it is difficult and expensive. Furthermore, in the method disclosed in Patent Document 4, light must be incident from the upper surface of the bubble and light passing through the bubble and the liquid present on the lower surface of the bubble must be received. The change amount becomes small, and the image information of the bubble outline may not always be clear.
[0011]
An object of the present invention is to provide a high-precision electric inclination angle detecting device which is less affected by a change in ambient temperature and which has a problem in the prior art.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a closed chamber having at least two opposing wall surfaces formed of a light-transmitting member, a liquid sealed so as to have bubbles in the chamber, A light source disposed on one of the two wall surfaces made of a light transmitting member, a CCD element disposed on the other wall surface side of the two wall surfaces made of the light transmitting member, and a CCD element A tilt angle measuring device having information processing means for calculating a tilt angle based on image information, wherein a boundary position between a bubble and a liquid on both sides of the bubble at a predetermined depth position is detected by the CCD element, and the detected bubble is detected. The center position of the bubble is calculated from the boundary position information of both sides, and the angle is measured based on the amount of displacement of the bubble from the reference position.
[0013]
In the present invention, as the light transmitting member, a transparent glass plate or a resin plate is usually used, but a known colored member or the like that can transmit light of the light source corresponding to the light of the light source to be used is used. can do.
In the present invention, the wall surface made of the light transmissive member is basically arranged so as to be parallel to the displacement direction surface at the measured angle. In the present invention, it is desirable that the wall surface made of the light-transmitting member is disposed close to the air bubble so that the side surface of the bubble does not become a free surface. By arranging in this way, both sides of the bubble are regulated to form two parallel sides and almost no liquid exists between the wall made of the light-transmitting member and the bubble. It is possible to more clearly detect the outline of the boundary between the bubble and the liquid at both sides of the bubble at the position (the front and rear ends in the bubble moving direction).
[0014]
In the present invention, among the wall surfaces forming the closed chamber, members forming the wall surfaces other than the two wall surfaces made of the light-transmitting member may be either a transparent body or an opaque body. However, it is important that a member constituting the wall surface of the upper surface of the bubble to which the bubble contacts and moves can be subjected to extremely precise processing. From such a viewpoint, it is desirable to use a metal member.
In other words, of the walls forming the closed chamber, at least the upper wall surface on which the bubble upper surface contacts and moves is such that the bubble is located substantially in the center at the reference position (usually when the inclination angle is zero). In addition, it must be precisely formed with a predetermined curvature in a curved shape depressed upward so that the bubble moves a predetermined distance at a predetermined angular displacement.
In the present invention, the shape of the chamber may be an arc (arc), a cylinder, or a column corresponding to the angle to be measured.
[0015]
In the present invention, as the liquid sealed in the closed chamber, a liquid commonly used in this kind of bubble tube, for example, a liquid obtained by adding potassium iodide to a mixed liquid of diethyl ether and ethyl alcohol, or the like is known. Can be used as appropriate.
[0016]
In the present invention, a CCD element in which pixels are arranged over a length range longer than a moving distance of a bubble moving within a measurement angle range is used. This CCD element is disposed substantially parallel to and close to the ridgeline of the upper wall surface. With this configuration, the displacement amount of the bubble can be obtained from the obtained CCD image information signal. In the case where the closed chamber has an arc shape or the like, it is difficult to arrange a linear CCD element along the ridgeline of the upper wall surface. Using a CCD element having a pixel array of a size to cover, select a pixel for detecting the boundary position on both sides of the bubble corresponding to the measurement angle, and set the boundary position at a substantially constant distance (bubble depth position) from the upper wall surface of the chamber. May be detected.
[0017]
As will be described in detail later, in the present invention, the position of the bubble is determined by detecting two points where at least one virtual line crossing the position of the predetermined depth in the bubble and the bubble-liquid boundary line intersect. For this reason, in principle, the pixel array of the CCD light receiving elements to be taken in with the pixel information may be one row, but a plurality of rows of pixel information may be taken in in order to improve the detection accuracy.
In the present invention, the position of the bubble is determined by detecting the boundary position between the bubble and the liquid at both ends of the bubble, and calculating the center position of the bubble from the boundary position at the both ends of the bubble. Therefore, even if the size of the bubble changes due to the influence of the ambient temperature or the like, the required center position of the bubble does not change, so that the influence of the ambient temperature, which has been a problem in the related art, can be extremely reduced.
[0018]
In the present invention, since the light-transmissive wall surface is configured so as to sandwich both sides of the bubble in parallel with the moving direction of the bubble, the moving direction of the bubble is basically defined and moved. . Therefore, only the angle in the direction to be measured can be accurately measured. Further, since the pair of light-transmitting wall surfaces are basically opposed to each other at an interval equal to or less than the free diameter of the bubble, relatively little liquid exists between the bubble and the light-transmitting wall surface. Therefore, there is a large difference between the amount (intensity) of light passing through the bubble portion and light passing through the liquid portion, and the boundary between the bubble and the liquid can be clearly recognized.
Further, since the light-transmitting wall surface has a flat plate shape, an inexpensive flat long CCD device having a simple structure can be used for both the light emitting element and the light receiving element. Further, since the distance between the bubble and the CCD light receiving element does not change, the reliability (accuracy) of the detected image information signal is high.
[0019]
The angle measuring device of the present invention first stores the center position of the bubble in the state of the reference angle (for example, a horizontal state where the airbag is not inclined) as a reference point. Next, the moving position of the bubble at a predetermined angle change is sequentially measured and stored in the storage circuit, and at the time of actual measurement, the angle is measured with reference to the stored and stored basic data.
For example, when the angle measuring device of the present invention is used by attaching it to the body of a surveying instrument, first, basic data is collected and stored in the attached state, and then actual measurement is performed. In addition, for example, the reference point and the center position of the bubble may not coincide with each other without tilting due to, for example, a change over time. In such a case, the position of the reference point may be appropriately adjusted as necessary. It is desirable to adjust.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 and FIG. 2 are a schematic configuration diagram and a configuration diagram of a detection unit according to an embodiment of the present invention. 1 and 2, reference numeral 1 denotes a base, and a substantially rectangular penetrating
3a and 3b are flat members made of a light-transmitting material. In the present embodiment, the same material is provided on both side surfaces of the base 1, but different materials and shapes may be used.
[0021]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the configuration of a detection unit according to the present embodiment. FIG. 1A is an elevation view shown by an aa cross section, and FIG. 1B is a side view shown by a bb cross section.
The closed chamber 4 is filled with a liquid 5 injected from an injection hole (not shown) so that
With the above configuration, light emitted from the light source 7 passes through the bubbles and / or liquid, reaches the CCD element 8, and is received. The light emitted from the light source 7 is preferably a parallel light beam if possible, but need not necessarily be a parallel light beam. Further, it is preferable to configure the closed room so that no incident light other than the light emitted from the light source 7 exists in order to reduce noise. In this embodiment, the light source 7 is specially mounted. However, in some cases, the light source 7 is not particularly provided, and ambient light may be used as the light source.
[0022]
The CCD element 8 is configured to be capable of receiving light at least over the entire moving range of the bubble moving along the upper wall surface of the closed chamber 4. That is, a pixel having a configuration in which pixels are arranged over a range equal to or longer than the entire length of the range in which bubbles move is used. The installation position is located on the outer surface of the window near the upper wall surface and in the longitudinal direction substantially parallel to the ridge line of the upper wall surface.
FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining a method of measuring the bubble center position in the present embodiment. FIG. 3 shows, for convenience of explanation, the pixels of the CCD light-receiving element extremely large compared to the size of the bubbles, and arranges the pixels of the CCD element in a row substantially parallel to the upper wall surface 9 of the base 1. It is shown in a simplified manner.
In the figure, the bubble 6A is the position of the bubble at the reference angle, and the center position (that is, the reference position) corresponds to the position of the n-th pixel. Next, assuming that the bubble when inclined at the angle α is the bubble 6B, the moving distance L of the bubble 6B from the reference position is obtained as follows. The light emitted from the light source 7 passes through the bubble or liquid and is received by the CCD element 8. However, since the light transmittance is different between the bubble and the liquid, the light from the pixel corresponding to the bubble in the CCD element 8 is detected. There is a difference between the information signal and the detected information signal from the pixel corresponding to the liquid portion.
In order to simplify the explanation, in FIG. 3, the detection information of each pixel is binarized, the pixel receiving light passing through the liquid is indicated by a black circle, and the pixel receiving light passing through the bubble is indicated by a black circle. Is indicated by a white circle. As shown in the figure, a pixel receiving light passing through a bubble and a pixel receiving light passing through a liquid can be clearly distinguished.
[0023]
In FIG. 3, a pixel corresponding to the boundary position between the bubble and the liquid at the left end of the bubble B is denoted by P1, and a pixel corresponding to the boundary position between the bubble and the liquid on the right side is denoted by P2. Since the bubble is formed in a substantially circular arc shape due to surface tension, P1 and P2 are present at target positions with respect to the center position of the bubble. Assuming that the pixel P1 is the (n + m) th pixel and the pixel P2 is the (n + m + d) th (where d corresponds to the number of pixels existing between the pixels P1 and P2), the pixel corresponding to the center position of the bubble is n + m + d / It will be located second.
The moving amount of the bubble corresponding to the angle α is obtained by multiplying the number of pixels existing between the pixel corresponding to the center position of the bubble at the angle and the pixel corresponding to the center position of the bubble at the angle of zero by the pixel arrangement pitch. Can be obtained by That is, since the pixel position corresponding to the bubble center position at the angle α is n + m + d / 2, and the pixel position corresponding to the bubble center position at the angle of zero is n, the number of pixels existing between the two pixel positions is ( (n + m + d / 2) -n = (m + d / 2). Therefore, the moving distance of the bubble can be obtained by (m + d / 2) × p, where p is the arrangement pitch.
[0024]
FIG. 4 is a schematic configuration explanatory diagram of the information processing means 10 in the present embodiment. In the figure, 11 is an object to be measured, 12 is a detector, 13 is a CCD light receiving element provided in the
The CCD light receiving
The output of the angle information signal obtained by the arithmetic circuit 16 is input to the display means 18 and the like, and the angle is displayed. Although not shown, the angle information signal output can be printed by inputting it to a printing means, or an alarm can be issued by inputting it to an alarm means.
[0025]
In the above embodiment, both the base and the light-transmitting member are flat, but the present invention is not limited to this shape. For example, the chamber of the base may be formed in an arc shape (arc shape), a cylindrical shape (ring shape), or a column shape. Also, various changes in shape are possible, for example, by providing a fitting portion that enables good coupling between the two members.
Further, the configuration of the information processing means in the present invention is not limited to the configuration shown in the above embodiment, and it goes without saying that various circuit configurations can be adopted as long as the operation and effect are not hindered.
As described above, in the present invention, since the positions of both ends of the bubble are detected and the center position of the positions of both ends is calculated as the center position of the bubble, the expansion and contraction of the bubble due to the ambient temperature is calculated. The position of the bubble, in other words, the angle, can be accurately measured without being affected.
[0026]
【Example】
An aluminum plate was processed to prepare a base 1 having a width of 40 mm, a length of 80 mm and a thickness of 8 mm having a
A colorless and transparent glass plate was used as the light transmitting material, and two flat plates 3 each having a width of 40 mm, a length of 60 mm, and a thickness of 2 mm were prepared. The two glass
Next, a liquid obtained by adding potassium iodide to a mixture of diethyl ether and ethyl alcohol was injected from the injection hole until a bubble having a predetermined size was formed, and then the injection hole was sealed.
[0027]
Next, a planar light-emitting element 7 in which a plurality of light-emitting elements (LEDs) were arranged was fixed to the outside of one glass wall, and a CCD light-receiving element was fixed to the outside of the other opposite glass wall. As the CCD light receiving element, a linear image sensor KLI-2113 manufactured by Kodak was used. This CCD light receiving element has a pixel number of 2122 × 3 rows and a pixel size of 14 μm × 14 μm.
The light receiving element was fixed so that the pixel row of the CCD light receiving element was approximately 0.5 mm below the ridge line of the upper wall surface of the window 4 and substantially along the ridge line of the upper wall surface.
Next, the
[0028]
First, this bubble device is attached to the angle reference device, the center position of the bubble at zero inclination and the center position of the bubble at any angular displacement are measured in advance, and basic position information data on the correlation between the angle and the center position of the bubble. Was stored in the storage means. FIG. 5 is a correlation curve diagram of the angle and the movement amount of the center position of the bubble in the present embodiment. In the case of the present embodiment, it can be seen that the angle and the bubble movement amount have a substantially linear relationship.
Next, when the detection unit according to the present example was attached to a building member and the actual angle was measured, the angle could be measured with an accuracy of 0.01 mm / 1000 mm.
[0029]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, since the present invention obtains the center position of the bubble from the both end positions of the bubble, the present invention captures the center position of the bubble regardless of the change in the size of the bubble due to the influence of the external temperature. Therefore, the effect of the external temperature can be extremely reduced. Further, since the light is emitted and received from the side surface of the bubble, the position of both side edges of the bubble can be detected very clearly, so that highly accurate angle measurement can be performed. For this reason, the angle measuring device according to the present invention can be applied to many applications that require precise angle measurement, such as measuring angles of building equipment and members at a building site or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional explanatory view of a detection unit according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a partial explanatory view of a detection unit constituent member according to an embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a schematic explanatory view showing an angle measuring method according to the present invention;
FIG. 4 is a schematic explanatory diagram of an information processing means according to an embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a correlation diagram between an angle and a bubble movement amount in one embodiment of the present invention;
[Explanation of symbols]
1: base 2: window 3: light transmissive member 4: closed chamber 5: liquid 6: bubble 7: light emitting source 8: CCD light receiving element 9: upper wall surface 10: information processing means 11: angle measurement object 12 : Detection unit 13: CCD light receiving element unit 14: CCD drive circuit 15: pixel information recognition circuit 16: arithmetic circuit 17: storage circuit 18: display means
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