专利名称：倾斜传感器及其工作方法
技术领域：
本发明涉及一种倾斜传感器，尤其是一种基于图像传感器的倾斜传感器及其工作方法。
背景技术：
现有技术中，检测测量仪的倾角采用气泡管，这种气泡管内部封入气泡，并形成电极，再通过测量静电电容来测定倾角。这种气泡管的外周由玻璃构成，因而要求较高的机械加工精度，此外为了测量两个方向的倾角，两轴线方向各要一个气泡管，使用成本较高。同时气泡管易受环境温度变化的影响，必须对温度变化进行修正。另一种倾斜传感器是使用暗场条纹让出射光平行通过，使其透过反射镜让暗场条纹转向，其透光容器使透过反射镜转向的条纹反射，使其条纹成像并通过感光装置感光，再计算其倾角。其典型代表是日本T0PC0N，在全站仪中使用此倾斜传感器，专利申请号为 97110370. 4，公开号为CN1167907。此方法对暗场条纹的配置要求高，其条纹中心线需等距配置，条纹宽度需沿正交方向变化地配置，且需通过两种不同的方法来求X轴和Y轴方向的倾角，其成本高，装置复杂，且计算较复杂。第三种倾斜传感器是使用一个底部为平面玻璃、内盛乙醚乙醇混合液的圆水准器，其下方安置透镜使LED光通过透镜平行透过圆水准器，根据光折射原理，光射到气泡中心大部分的光在气泡表面被折射不能到达硅光电二极管而形成气泡阴影，由于其气泡阴影位置是随着仪器倾斜而变动，故根据硅光电二极管上产生的相应电压差便可以计算出双轴倾角。其典型代表是日本SOKKIA公司的测量仪，此倾斜传感器专利号为 JP2007218722(A)。此倾斜传感器虽体积小，但对支架的不对称性、材料、温度等因素不能忽视，若工作温度变化超过7°C，则需要重新调整零点值，而“零点值”的软件设置是由观测人员决定的，存在视觉偏差且其调整的精确度也不够高。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、可靠性和精度较高、成本较低且计算简便的倾斜传感器及其工作方法。为解决上述技术问题，本发明提供的倾斜传感器，包括透光容器1、聚光透镜2、 光源3、图像感光装置5和运算处理装置6 ；透光容器1内设有具有自由液面的透光液体，光源3发出的光线适于覆盖所述透光容器1内的所述液面，从该液面透射或反射的光线适于经过所述聚光透镜2后在所述图像感光装置5的感光面上形成一光斑，与所述图像感光装置5相连的运算处理装置6适于计算所述光斑的中心点在所述感光面上的位置变化，以计算出倾斜传感器的倾斜方向和倾斜角度。所述光源3为发出散射光线的点光源或发射出平行光线的面光源；当所述光源3 采用所述点光源时，光源3与所述液面之间设有用于将所述散射光线转换为平行光线的第二聚光透镜7。
上述倾斜传感器的工作方法，其包括将一光源3发出的光线覆盖一透光容器1内透光液体的自由液面，从该自由液面透射或反射的光线经过一聚光透镜2后在一图像感光装置5的感光面上形成一光斑，与图像感光装置5相连的运算处理装置6检测所述光斑的中心点在图像感光装置5的感光面上的位置方位得出倾斜传感器的倾斜方向；若光源3与所述聚光透镜2光轴的间距为e，当倾斜传感器的倾角为θ时，所述光斑的中心点在所述感光面上的偏移量为d，则根据公式d=F · tan ( α +2 θ ) -F · tana可计算出所述倾角θ，其中F为聚光透镜焦距，tan α =e/F。本发明具有的技术效果(1)本发明的倾斜传感器，使光源经过反射镜反射，通过聚光透镜将到达透光容器的自由液面，并使光反射而成像，再由图像感光装置采集，然后由运算处理装置根据感光装置的图像信息，通过图像处理相关算法计算其液体成像中心，运算其倾斜角度和倾斜方向。可作为高精度倾斜传感器、可靠性和精度较高、成本较低且计算简便。(2)本发明的液体采用具有合适粘性的液体，此透光容器具有自由表面，表面总是保持水平状态，提高了本发明的测试精度。(3)本发明的感光装置获得的图像信息，能通过图像处理相关算法等获得更优质的图像信息，且计算图像中心方法简单，运算处理装置的运算速度快，使其可靠性增加，结构简便使其成本低。


为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图， 对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明实施1中的倾斜传感器的光学结构示意图； 图2为本发明实施1中的倾斜传感器发生倾斜时的光路示意图； 图3为实施例2中的倾斜传感器的光学结构示意图； 图4为实施例3中的倾斜传感器的光学结构示意图； 图5为实施例4中的倾斜传感器的光学结构示意图； 图6为实施例5中的倾斜传感器的光学结构示意图； 图7为实施例6中的倾斜传感器的光学结构示意图； 图8为实施例7中的倾斜传感器的光学结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明 实施例1
如图1，本实施例的倾斜传感器包括依次上下相对设置的透光容器1、聚光透镜2和光源3，以及图像感光装置5和运算处理装置6。透光容器1内充填的液体为硅油。(其他具有相同折射率的液体均可，如酒精等) 硅油具有自由表面，因而其表面总是保持水平的状态，光照射到硅油的液面后直接进行平面反射。光源3为LED，也可以使用其他点光源。聚光透镜2使光源3出射的光平行。图像感光装置5是对经反射镜4反射的像感光并变换为电信号使用的装置，本实施例使用的感光装置为CMOS图像传感器，也可采用CXD图像传感器。运算处理装置6是包含CPLD和单片机的运算处理装置，对全体加以控制，计算 CMOS图像感光装置上投影发生的位移，并计算相应倾角用的装置。透光容器1的液面发射光线在图像感光装置5的感光面上所成的图像为类似光斑的图像，即通过图像二值化处理后液面区域为白色的光斑，根据图像处理可以计算出图像的边缘，以此计算图像中心；或者直接根据此光斑的像素平均也可计算出白斑的中心，即液面的中心。倾斜传感器若整体倾斜，由于透光容器1的自由表面仍保持水平，此时根据倾斜度的不同，液面的形状会发生变形，导致液面的中心会发生相应的偏移。工作时，光源3发出的散射光线经过聚光透镜2后转换为平行光，该平行光适于覆盖透光容器1内的透光液体的自由液面，从该自由液面反射的光线经过聚光透镜2后在图像感光装置5的感光面上形成一光斑，与图像感光装置5相连的运算处理装置6检测所述光斑的中心点在图像感光装置5的感光面上的位置方位可知倾斜传感器的倾斜方向。一种倾斜传感器的工作方法，其特征在于将一光源3发出的光线覆盖一透光容器1内透光液体的自由液面，从该自由液面透射或反射的光线经过一聚光透镜2后在一图像感光装置5 的感光面上形成一光斑，与图像感光装置5相连的运算处理装置6检测所述光斑的中心点在图像感光装置5的感光面上的位置变化，根据所述光斑的中心点在所述感光面上的位置变化方位可知该传感器倾斜方向。如图2所示，位于聚光透镜2的焦平面上的发光点A与聚光透镜2的光轴的间距为e，即AO为e，聚光透镜2的焦距为F，该发光点A发射出的光线经聚光透镜2后变成平行光线发射到液面，由自由液面反射后经聚光透镜2成像于焦平面AC处。当所述自由液面与所述光轴垂直时，该成像点与发光点A关于光轴对称，即图中 B点。当传感器的倾角为θ时，则所述光斑的中心点移至C点位置。此时，各角度关系如图所示，可以得知所述光斑的中心点在所述感光面上的位移量BC的计算公式为BC=F -tan (α +2 θ ) -F · tan α，其中tan α =e/F。使用时运算处理装置6上连接有显示装置，以显示所述倾角θ。实施例2:
在实施例1的基础上，本实施例存在如下变型
本实施例的倾斜传感器增加了一反射镜4，反射镜4是使通过聚光透镜2的光线反射到图像感光装置5上所用的装置。另外，其它构成及原理实施例1相同，故省略说明。实施例3:
在实施例1的基础上，本实施例存在如下变型
如图4所示，本实施例的倾斜传感器中的光源3、光透光容器1和聚光透镜2依次上下相对设置，且在光源3和光透光容器1之间设有第二聚光透镜7。本实施例的倾斜传感器将光源3置于透光容器1的上方，使光透过透光容器1，经过聚光透镜2直接在图像感光装置5上成像。另外，其它构成及原理与实施例1相同，故省略说明。实施例4
在实施例1的基础上，本实施例存在如下变型
图5所示的倾斜传感器由透光容器1、聚光透镜2、光源3、第一反射镜4a、第二反射镜4b、图像感光装置5和运算处理装置6构成。本实施例的倾斜传感器将光源3置于图像感光装置5附近，光源3发出的光线通过聚光透镜2到达第一反射镜4a，再经过反射和折射到达所述液面，反射光再经过反射和折射到达第二反射镜4b，按此路径再原路返回，图像感光装置5接收回光成像。另外，其它构成及原理与实施例1相同，故省略说明。实施例5
在实施例1的基础上，本实施例存在如下变型
图6所示的倾斜传感器由透光容器1、聚光透镜2、第二聚光透镜7、光源3、半透过反射镜4a、图像感光装置5和运算处理装置6构成。光源3通过聚光透镜2到达半透过反射镜4a经反射到达所述液面，液面反射光透过半透过反射镜4a经第二聚光透镜2被图像感光装置5接收成像。另外，其它构成及原理与实施例1相同，故省略说明。实施例6
在实施例5的基础上，本实施例存在如下变型
图7所示的倾斜传感器由透光容器1、聚光透镜2、第二聚光透镜7、光源3、图像感光装置5和运算处理装置6构成。本实施例的倾斜传感器省略实施例5中的半透过反射镜4a，将聚光透镜2和第二聚光透镜7以不同角度倾斜放置。其它构成及原理与第五实施例相同，故省略说明。实施例7
在实施例1的基础上，本实施例存在如下变型
图8所示的倾斜传感器由透光容器1、光源3、图像感光装置5和运算处理装置6构成。本实施例省略实施例1中的聚光透镜2，将透光容器1底部制成一聚光透镜，使结构更为简单。其它构成及原理与实施例1相同，故省略说明。同时在前六种实施例中，均可更改使用此方法简化结构。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
权利要求
1.一种倾斜传感器，其特征在于包括透光容器(1)、聚光透镜(2)、光源(3)、图像感光装置(5)和运算处理装置(6)；透光容器(1)内设有具有自由液面的透光液体，光源(3 )发出的光线适于覆盖所述透光容器(1)内的所述液面，从该液面透射或反射的光线适于经过所述聚光透镜(2)后在所述图像感光装置(5)的感光面上形成一光斑，与所述图像感光装置(5)相连的运算处理装置(6)适于计算所述光斑的中心点在所述感光面上的位置变化，以计算出倾斜传感器的倾斜方向和倾斜角度。
2.根据权利要求1所述的倾斜传感器，其特征在于所述光源(3)为发出散射光线的点光源或发射出平行光线的面光源；当所述光源(3)采用所述点光源时，光源(3)与所述液面之间设有用于将所述散射光线转换为平行光线的第二聚光透镜7。
3.一种倾斜传感器的工作方法，其特征在于将一光源(3)发出的光线覆盖一透光容器(1)内透光液体的自由液面，从该自由液面透射或反射的光线经过一聚光透镜(2)后在一图像感光装置(5 )的感光面上形成一光斑，与图像感光装置(5 )相连的运算处理装置(6 ) 检测所述光斑的中心点在图像感光装置(5)的感光面上的位置方位得出倾斜传感器的倾斜方向；若光源(3)与所述聚光透镜(2)光轴的间距为e，当倾斜传感器的倾角为θ时，所述光斑的中心点在所述感光面上的偏移量为d，则根据公式d=F · tan ( α +2 θ ) -F - tan α可计算出所述倾角θ，其中F为聚光透镜焦距，tana =e/F。
4.根据权利要求3所述的倾斜传感器的工作方法，其特征在于所述光源(3)为发出散射光线的点光源或发射出平行光线的面光源；光源(3)采用所述点光源时，光源(3)与所述液面之间设有用于将所述散射光线转换为平行光线的第二聚光透镜7。
5.根据权利要求3所述的倾斜传感器的工作方法，其特征在于使用时运算处理装置 (6)上连接有显示装置，以显示所述倾角θ。
全文摘要
本发明涉及倾斜传感器及其工作方法，其包括将一光源发出的光线覆盖一透光容器内透光液体的自由液面，从该自由液面透射或反射的光线经过一聚光透镜后在一图像感光装置的感光面上形成一光斑，与图像感光装置相连的运算处理装置检测所述光斑的中心点在图像感光装置的感光面上的位置方位和位移量得出倾斜传感器的倾斜方向和倾角值。本发明的感光装置获得的图像信息，能通过图像处理相关算法等获得更优质的图像信息，且计算图像中心方法简单，运算处理装置的运算速度快，使其可靠性增加，结构简便使其成本低。
文档编号G01C9/20GK102261906SQ20111016133
公开日2011年11月30日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者唐剑宇, 巢海步 申请人:常州市新瑞得仪器有限公司