一種傾斜傳感器及其工作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種傾斜傳感器，尤其是一種基于圖像傳感器的傾斜傳感器及其工作方法。
【背景技術】
[0002]現有技術中，檢測測量儀的傾角采用氣泡管，這種氣泡管內部封入氣泡，并形成電極,再通過測量靜電電容來測定傾角。這種氣泡管的外周由玻璃構成，因而要求較高的機械加工精度，此外為了測量兩個方向的傾角，兩軸線方向各要一個氣泡管，使用成本較高。同時氣泡管易受環境溫度變化的影響，必須對溫度變化進行修正。
[0003]另一種傾斜傳感器是使用暗場條紋讓出射光平行通過，使其透過反射鏡讓暗場條紋轉向，其透光容器使透過反射鏡轉向的條紋反射，使其條紋成像并通過感光裝置感光，再計算其傾角。其典型代表是日本T0PC0N，在全站儀中使用此傾斜傳感器，專利文獻公開號為:CN1167907A。此方法對暗場條紋的配置要求高，其條紋中心線需等距配置，條紋寬度需沿正交方向變化地配置，且需通過兩種不同的方法來求X軸和Y軸方向的傾角，其成本高，裝置復雜，且計算較復雜。
[0004]第三種傾斜傳感器是使用一個底部為平面玻璃、內盛乙醚乙醇混合液的圓水準器，其下方安置透鏡使LED光通過透鏡平行透過圓水準器，根據光折射原理，光射到氣泡中心大部分的光在氣泡表面被折射不能到達硅光電二極管而形成氣泡陰影，由于其氣泡陰影位置是隨著儀器傾斜而變動，故根據硅光電二極管上產生的相應電壓差便可以計算出雙軸傾角。其典型代表是日本SOKKIA公司的測量儀，此傾斜傳感器專利文獻號為:JP2007218722 (A)。此傾斜傳感器雖體積小，但對支架的不對稱性、材料、溫度等因素不能忽視，若工作溫度變化超過7°C，則需要重新調整零點值，而“零點值”的軟件設置是由觀測人員決定的，存在視覺偏差且其調整的精確度也不夠高。
[0005]而現有的用于測量傾斜的設備中利用光的折射或反射原理，其內部設有透明或鏡面的液體，比如乙醇或水銀等等。液體的液面由于重力的因素一直處于水平，而當設備處于非水平狀態時，原來的折射光或發射光必然因為折射角度或反射角度改變而在感光設備上產生一定的位移，利用該位移和設備內的已知的光源與液面間的距離，即可根據三角函數計算出設備當前的傾斜角度。比如中國專利文獻CN10206114A和專利CN102261906A均為此類產品。
[0006]但是，這樣的設備顯然存在的問題是，當溫度產生變化時，液體與容器的熱脹冷縮率不同，所以液體的液面會產生高度變化，這樣，就會導致測量的誤差存在，當設備處于水平面時，就會顯示出有傾角的存在。
【發明內容】
[0007]本發明解決的技術問題是:提出一種結構簡單、可靠性和精度較高、成本較低且計算簡便，并能不受溫度影響的傾斜傳感器及其工作方法。
[0008]為了解決上述技術問題，本發明提出的一種技術方案是提供一種傾斜傳感器，其包括透光容器，所述透光容器內設有具有自由液面的透光液體，還包括聚光透鏡和一對對稱設于所述透光容器的中心線兩側的檢測組件；各檢測組件包括:光源、感光裝置；各檢測組件中的感光裝置的輸出端與一中央處理器相連；各檢測組件工作時，所述光源輸出的光線照射在所述透光液體的液面上、并經過所述液面反射或折射后穿過所述聚光透鏡、最后在所述感光裝置的感光面上形成一光斑；所述中央處理器計算各感光面上的所述光斑的中心點在各自感光面上的位置變化，以計算出傾斜傳感器的傾斜方向和傾斜角度。
[0009]各檢測組件中的光源為發出散射光線的點光源或發射出平行光線的面光源；當所述光源是點光源時，各光源與所述液面之間分別設有用于將對應光源的散射光線轉換為平行光線的透鏡。
[0010]為利于提高檢測的精確度，所述透光容器的底板為厚度一致的平面板。
[0011]上述傾斜傳感器的工作方法包括:各光源輸出的光線分別照射在所述液面上，并各自經過所述液面反射或折射后分別穿過相應的聚光透鏡，最后分別在相應的感光裝置上形成相應的光斑；所述中央處理器根據光斑分別計算兩個光斑的中心點；其中，若所述各檢測組件中的光源與透鏡光軸的間距都為e，當所述透光容器發生傾角Θ時，所述的兩個光斑的中心點在相應的感光裝置上的偏移量分別為dl和d2，則根據公式d=F.tan(α+2θ )-F*tana，由dl值計算出傾角Θ1，由d2值計算出傾角Θ 2，其中:F為聚光透鏡焦距，tan a =e/F，最終得出所述透光容器的傾角Θ的值為Θ1和Θ 2的絕對值之和除以
2;同時，根據任一光斑的中心點在相應的感光裝置上的偏移方向，計算出所述透光容器的傾斜方向，最終獲得傾斜傳感器的傾斜角度和方向。
[0012]在相同的傾斜狀態下，當所述透光容器內的透光液體因溫度變化而使液位發生上升或下降時，所述Θ I和Θ 2分別增大Λ Θ和減小Λ Θ，或，所述Θ 2和Θ I分別增大Λ Θ和減小Λ Θ，但Θ I和Θ 2的絕對值之和不變，使最終獲得傾斜傳感器的傾斜角度不受溫度變化的影響。
[0013]優選地，所述中央處理器的輸出端連接有顯示裝置顯示角度Θ。
[0014]本發明提出傾斜傳感器及其工作方法具有的技術效果:(1)本發明的傾斜傳感器，使光源輸出的光線經過透光容器的自由液面的反射鏡反射，然后通過聚光透鏡到達感光裝置的感光面，然后由中央處理器根據感光裝置測得的光斑，通過圖像處理相關算法計算光斑中心，并根據光斑中心的位移量和位移方向，運算其傾斜角度和傾斜方向。在相同的傾斜狀態下，當所述透光容器內的透光液體因溫度變化而使液位發生上升或下降時，通過兩路光路測得的傾角Θ I和Θ 2分別增大Λ Θ和減小Λ Θ，或，所述Θ 2和Θ I分別增大Δ Θ和減小Λ Θ，但Θ1和Θ 2的絕對值之和不變，使最終獲得傾斜傳感器的傾斜角度不受溫度變化的影響。可作為高精度傾斜傳感器、可靠性和精度較高、成本較低且計算簡便。
(2)本發明的液體采用具有合適粘性的液體，此透光容器具有自由表面，表面總是保持水平狀態，提高了本發明的測試精度。(3)本發明的感光裝置獲得的圖像信息，能通過圖像處理相關算法等獲得更優質的圖像信息，且計算圖像中心方法簡單，中央處理器的運算速度快，使其可靠性增加，結構簡便使其成本低，并能消除溫度帶來的影響。
【附圖說明】
[0015]下面結合附圖對本發明的作進一步說明。
[0016]圖1為本發明實施I中的傾斜傳感器的光學結構示意圖；
圖2為本發明實施I中的傾斜傳感器發生傾斜時的光路示意圖；
圖3為實施例1中的傾斜傳感器的液面上升后的光學結構示意圖；
圖4為實施例2中的傾斜傳感器的光學結構示意圖；
圖5為實施例3中的傾斜傳感器的光學結構示意圖；
圖6為實施例4中的傾斜傳感器的光學結構示意圖；
圖7為實施例5中的傾斜傳感器的光學結構示意圖；
圖8為實施例6中的傾斜傳感器的光學結構示意圖；
圖9為實施例7中的傾斜傳感器的光學結構示意圖；
圖10為實施例8中的傾斜傳感器的光學結構示意圖；
圖11為上述實施例3中的變型實施方式，其中標記13和13’為平面光源。
【具體實施方式】
[0017]實施例1:
如圖1，本實施例的傾斜傳感器包括:透光容器1、位于透光容器I下方的第一透鏡2、位于第一透鏡2下方的第一光源3、位于第一光源3旁的第一感光裝置5，以及分別與所述第一透鏡2、第一光源3和第一感光裝置5以透光容器I的中心線對稱設置的第二透鏡2 '、第二光源3 ’和第二感光裝置5 ’ ;第一感光裝置5和第二感光裝置5 ’分別與第一中央處理器6和第二中央處理器6 ’相連(此時，第一、第二中央處理器彼此連接)，或第一感光裝置5和第二感光裝置5 /都與同一中央處理器相連。透光容器I的底板優選為厚度一致的平面板。
[0018]透光容器I內充填的液體為硅油。(其他具有相同折射率的液體均可，如酒精等)硅油具有自由表面，因而其表面總是保持水平的狀態，光照射到硅油的液面后直接進行平面反射。
[0019]第一光源3和第二光源3'為至少一個LED，也可以使用其他點光源。
[0020]第一透鏡2和第二透鏡2 '分別使第一光源3和第二光源3 '出射的光平行。
[0021]第一感光裝置5和第二感光裝置5'是對經自由液面反射的光變換為電信號的裝置，本實施例使用的感光裝置為CMOS圖像傳感器，也可采用CCD圖像傳感器。
[0022]所述的各中央處理器是包含CPLD和單片機的中央處理器，對全體加以控制，計算CMOS圖像感光裝置上投影發生的位移，并計算相應傾角用的裝置。
[0023]透光容器I的液面發射光線在第一感光裝置5和第二感光裝置5丨的感光面上所成的光斑，通過圖像二值化處理后液面區域為白色的光斑，根據圖像處理可以計算出圖像的邊緣，以此計算圖像中心；或者直接根據此光斑的像素平均也可計算出白斑的中心。
[0024]傾斜傳感器若整體傾斜，由于透光容器I的自由表面仍保持水平，此時根據傾斜度的不同，使第一光源3和第二光源3 '的入射角度發生變化，導致第一感光裝置5和第二感光裝置5 '的感光面上所成的光斑會發生相應的偏移。
[0025]為簡化結構，方便安裝，進一步優選的方案是，兩檢測組件中的透鏡密封設于所述透光容器的底面上，且兩透鏡對稱設于該透光容器的中心線兩側，各透鏡的光軸與該透光容器的中心線平行，各透鏡的頂面與透光容器內的液體接觸，但不露出液面。
[0026]工作時，第一光源3和第二光源3 ’發出的散射光線分別經過第一透鏡2和第二透鏡2 '后轉換為平行光，該平行光適于覆蓋透光容器I內的透光液體的自由液面，從該自由液面反射的光線分別經過第一透鏡2和第二透鏡2丨后在第一感光裝置5和第二感光裝置5'的感光面上分別形成光斑，第一中央處理器6和第二中央處理器6 '檢測光斑的中心點在第一感光裝置5和第二感光裝置5丨的感光面上的位置變化。
[0027]因兩路光路成像和運算方法相同，現以任一路光路為例來闡述，如圖2所示，位于第一透鏡2的焦平面上的第一光源3的中心與第一透鏡2的光軸的間距為e，即AO為e，第一透鏡2的焦距為F，第一光源3發射出的光線經第一透鏡2后變成平行光線發射到液面，由自由液面反射后經第一透鏡2成像于感光裝置的感光面上。當自由液面與光軸垂直時，該感光面上的成像點B與第一光源3的中心關于光軸O對稱。
[0028]如圖2所示，仍以任一路光路為例，當傳感器的傾角為