TWI393865B - Electronic tilt angle measuring instrument - Google Patents

Description

電子式傾斜角度量測儀

本發明為一種電子式傾斜角度量測儀，係利用簡單力學原理來量測平台的傾斜角度，在量測儀中放置一相當重量的鋼珠，於傾斜面時，該鋼珠會滑動而碰觸到某側的荷重元，且隨著傾斜面的角度增加，該荷重元量測到的側向力會越大，其力量與角度呈現正弦關係，能依側向力的大小來反推算平台傾斜的角度，並透過不同單晶片的應用，將輸出的電壓轉換成角度顯示在LCD面板上，提供量測者使用方便兼具結構小巧玲瓏不占空間之技術領域。

按，一般傾斜角度量測儀之設計，大多以氣泡在重力場下之行為來做偵測角度的基礎，係在一弧形玻璃管內填充乙醚液體並保留一小氣泡於其中(如第一圖)，當傾斜角度發生時，因物理傾斜重力的因素而使該小氣泡沿該玻璃管弧面移動，且會往高的一端移動，而精度越高的量測儀，其玻璃的曲率半徑會越大；玻璃管上的弧面設計可使氣泡永遠保持在最高點，並根據管體上的紅色刻度線，以目測方式來判讀傾斜角(如第二圖)，其中，L 表示氣泡的移動距離，R 表示玻璃管曲面半徑，φ表示傾斜角度，則φ=Tan ^-1 (L/R) ，若將該紅色刻度線改成金屬導線，該氣泡改成水銀液滴，可由電路整合轉成電子式的訊號輸出。

1.習知傾斜角度量測儀有液體及玻璃裝置，因整體結構體積龐大，容易使用不當而發生破裂的狀況，因此，其壽命較短，且在使用上必須要等到氣泡到達平衡位置時才可觀察正確的角度，其量測過程耗時並精度較低。

2.習知目測式傾斜角度量測儀無法產生電子訊號來控制其他元件，若水銀液滴來取代氣泡，配合電路整合轉成電子式的訊號輸出，也會因結構的不穩定而產生角度量測上之誤差。

本發明係在量測儀中置入一鋼珠，在一傾斜面時，該鋼珠會因滾滑移動而碰觸到某側的荷重元，且隨著傾斜面的角度增加，其測到的側向力會越大，由於力量與角度為一正弦關係，可依其側向力的大小反推算平台傾斜的角度，並透過類比轉數位單晶片、微控制單晶片的應用，將輸出電壓轉換成角度顯示在LCD面板上，提供有大幅縮小量測儀的體積，攜帶方便且價格便宜，並可延長使用壽命，量測的角度範圍可以達到180度，而且以數位輸出的方式，更能提高角度測量精度及縮短測量時間，特點是容易與其他自動化設備配合使用，利用電子訊號輸出來控制其他的自動化設備，以達到自動化調控之功能。

本作品可以應用的範圍相當廣泛，大致上可以歸納為下列幾點：

I.　測量平台傾斜的角度，可以應用在木工、建築與機械業上。

II.　在平台上安裝兩個角度量測儀可以控制機構調整平台的水平。

III.　應用在自走型機器人身上，使該機器人能夠上下樓梯及特定角度的移動變化。

IV.　將量測儀安裝在汽車上，可以測量路面坡度，使汽車駕駛了解路況，能有提前因應意外的發生。

V.　量測儀可以使交通工具自動補正，因地型所形成的傾斜角，放置在車內的東西不易傾倒。

可安裝於病床中，使病患自動調整所需傾斜角，而不須使用手搖方式調整病床的角度。

請參閱第三圖、第四-A圖、第四-B圖、第六圖所示，係由量測儀1、LCD顯示模組2連結而成；一量測儀1係中央挖設成一中空圓柱槽，恰可置入一相當重量的鋼珠11於內部滾動滑移，且兩端邊各銜設一荷重元12向外延伸出去，以與LCD顯示模組2連結，該荷重元12係用來測量應力的感測元件，當一根導體材料兩端受到外力負荷，產生軸向長度稍微拉長，截面也稍微變細，量測出應變規導線電阻值的變化，便可計算其伸長量或應變，進而再計算出其應力或受力大小；一LCD顯示模組2係主要經由類比轉數位單晶片21，將類比式的訊號轉換成數位式的訊號回饋傳送至微控制單晶片22中進行運算，使測量結果顯示在LCD面板23上，提供容易讀出平台傾斜的角度。

請參閱第三圖、第五-A圖、第五-B圖、第六圖所示，當量測儀1放置在正傾斜角的斜面時(如第五-A圖)，鋼珠11滾動滑移而碰觸到左側的荷重元12，且隨著傾斜面角度的增加，該左側荷重元12所量測到的側向力會越大，因力量與角度呈現正弦關係，即F=Wsinθ，可導出θ=Sin^-1 (F/W)，能以側向力的大小來反向推導出平台之傾斜角度，且透過不同的單晶片應用，將該左側荷重元12的輸出電壓轉換成角度顯示在LCD面板23上；當量測儀1放置在負傾斜角的斜面時(如第五-B圖)，鋼珠11滾動滑移而碰觸到右側荷重元12，且隨著傾斜面角度的增加，該右側荷重元12所量測到的側向力會越大，依前述之力量與角度呈現正弦關係，能以側向力的大小來反向推導出平台之傾斜角度，且透過不同的單晶片應用，將該右側荷重元12的輸出電壓轉換成角度顯示在LCD面板23上；其中，荷重元12是一種內部具有壓電材料的力量感測器，當該壓電材料受力時會產生變形，而該變形相對會使該壓電材料輸出一個電壓值，當變形越大所產生的電壓值便會越大，變形與電壓間是成一線性關係，量測的角度範圍可達180度，當該荷重元12受到鋼珠11的壓迫時，將產生的電壓值轉換成力量的大小，並建立該電壓值與力量的正確關係，並利用程式將偵測到鋼珠11側向力轉換成平面的傾斜角，以數位的方式將測量的結果顯示在LCD面板23上，提供升高測量精度及縮短測量時間，達到使用者即時得知平台傾斜的角度。

請參閱第三圖、第六圖所示，本發明的特點是可以利用電子訊號輸出來控制其他的自動化設備，以達到自動化調控之功能，且結構小巧玲瓏、不佔空間，應用的範圍相當廣泛，大致上可以歸納為下列幾點：

1.　測量平台傾斜的角度，應用於木工、建築、機械業上。

2.　在平台上安裝兩個量測儀1可以控制整個機構來調整平台的水平。

3.　應用於自走型機器人身上，其能夠上下樓梯及特定角度移動變化。

4.　將量測儀1安裝在汽車上測量路面坡度，使汽車駕駛了解路況，以提前因應意外的發生。

5.　量測儀1可自動補正交通工具，因地型所形成的傾斜角，使放置在車內的東西不易傾倒。

安裝於病床中使病患能自動調整所需傾斜角，而不須使用手搖的方式調整病床角度。

1．．．量測儀

11．．．鋼珠

12．．．荷重元

2．．．LCD顯示模組

21．．．類比轉數位單晶片

22．．．微控制單晶片

23．．．LCD面板

第一圖為習知傾斜角度量測儀示意圖。

第二圖為習知傾斜角度量測儀幾何關係圖。

第三圖為本發明立體圖。

第四-A圖為本發明剖面圖。

第四-B圖為本發明端視圖。

第五-A圖為本發明正傾斜角狀態圖。

第五-B圖為本發明負傾斜角狀態圖。

第六圖為本發明LCD面板顯示流程圖。

1．．．量測儀

11．．．鋼珠

12．．．荷重元

Claims (1)

1. 一種電子式傾斜角度量測儀，其特徵係在於：一量測儀，係中央挖設一鋼珠恰能於內部滾滑之中空圓柱槽，兩端邊銜設荷重元；兩荷重元，係分別設於中空圓柱槽之兩端，該中空圓柱槽內設一鋼珠，且位於該兩荷重元之間，使該鋼珠於中空圓柱槽內依傾斜角度滾動碰觸到某側荷重元，經類比轉數位單晶片轉換成數位式訊號回饋至微控制單晶片內，運算該側向力的大小來反推算平台傾斜的角度，並輸出訊號至LCD顯示模組；一LCD顯示模組，主要係經類比轉數位單晶片轉換成數位式訊號回饋至微控制單晶片內運算，結果顯示在LCD面板上；因此，藉量測儀置於傾斜面時，鋼珠滑動碰觸到某側的荷重元，因力量與角度呈現正弦關係，隨著傾斜面角度的增加，其所量測到的側向力會越大，再透過類比轉數位單晶片與微控制單晶片的應用，由該側向力的大小來反推算平台傾斜的角度，將輸出電壓轉換成角度顯示在LCD面板上，提供有攜帶方便、價格便宜，使用壽命長、180度的量測範圍、數位輸出方式、提高測量精度、縮短測量時間等多重實際效益，並兼具易與其他自動化設備配合使用，達到自動化調控之功能。