CN103759712B - 一种数字式水平传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字式水平传感器，包括外壳，外壳内设有电路***、悬挂摆部件、液压式微位移放大部件和平行光源，所述悬挂摆部件的结构为：包括摆锤、T型推杆、摆锤转轴，摆锤通过T型推杆与摆锤转轴活动连接。该传感器有以下特点：输出的是数字信号，每个感应元都是以开关脉冲的形式输出信号，取样数据只有“0”与“1”，克服了传统的模拟量检测方式本身带有模糊的成份，避免了受温度、空气压强、电场、磁场等多种环境分布参数的影响，大大地提高了检测的准确性、可靠性，而且分辨率和精度很高，结构简单，成本低。

Description

一种数字式水平传感器
技术领域
本发明涉及一种数字式水平传感器。
背景技术
目前，在工程设备水平状态测量时，用得较多的是气泡式水平仪（它是借助气泡相对刻线的偏移，凭眼睛判断被测物是否水平），它的缺点是灵敏度有限，且不能产生电信号，不便于自动测量和自动控制，而在现有的一些水平传感器中，多是以模拟量转换的方式进行物理量的转换（如电解式、电容式等），其输出是模拟量，取样信号只有量的变化没有质的变化（突变的），很难抵御外部的干扰，内部的漂移，稳定性和可靠性难以满足使用要求。而数字化取样的传感器在可靠性、稳定性方面会得到根本性的改善，所以数字化物理量转换机理的研究已成为传感器研究领域的一个主攻方向。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种数字式水平传感器，该传感器有以下特点：输出的是数字信号，每个感应元都是以开关脉冲的形式输出信号，取样数据只有“0”与“1”，克服了传统的模拟量检测方式本身带有模糊的成份，避免了受温度、空气压强、电场、磁场等多种环境分布参数的影响，大大地提高了检测的准确性、可靠性，而且分辨率和精度很高，结构简单，成本低。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种数字式水平传感器，包括外壳，外壳内设有电路***、悬挂摆部件、液压式微位移放大部件4和平行光源，其中，
所述电路***的结构为：包括微处理器31、CCD驱动电路32、LED驱动电路34、信号处理电路33和线阵CCD26，其中，微处理器31通过LED驱动电路34与平行光源的LED阵列28连接；微处理器31通过CCD驱动电路32与线阵CCD连接26；微处理器31与信号处理电路33连接，信号处理电路33与线阵CCD26连接；
所述悬挂摆部件的结构为：包括摆锤7、T型推杆6、摆锤转轴5，摆锤7通过T型推杆6与摆锤转轴5活动连接；
所述液压式微位移放大部件4有两个，其结构为：包括储液管18以及由透明材料制成的指示管16，其中，储液管18由上壳体17和下壳体20扣合形成，储液管18内设有膜片19（优选橡胶膜片），膜片19下方设有圆形推板22，推板22下部连接有推杆24，相应地，下壳体20上设有导向孔23，推杆24穿过导向孔23，推杆24末端与T型推杆6紧密接触（一个液压式微位移放大部件4的推杆24与T型推杆6的一端紧密接触，另一个液压式微位移放大部件4的推杆24与T型推杆6的另一端紧密接触）；指示管16位于储液管18上方，并穿过上壳体17与储液管18连通；平行光源设置在指示管16侧面，相应地，指示管16另一侧设有线阵CCD26，平行光源发出的光穿过指示管16后照射到线阵CCD26上；使用时，储液管中盛有不透明液体；
所述平行光源的结构为：包括由外向内依次排列的LED阵列28、毛玻璃29和圆柱状透镜25。平行光源的工作原理为公知常识，为：LED发光后，光线通过毛玻璃经圆柱状透镜聚焦形成一条焦线（焦线与圆柱状透镜轴向平行），得到平行光源。线阵CCD26与指示管16之间也设有用于聚焦的圆柱状透镜25。
进一步地，所述外壳由壳体8、位于壳体8上部的上盖板1和位于壳体8前部的前盖板11构成，壳体8、上盖板1和前盖板11之间围成一个相对密闭的空间；壳体8底部设有两个限位块9，摆锤7位于两个限位块9之间，限位块的作用是：限制摆锤摆动范围。
进一步地，上壳体17和下壳体20之间通过螺钉15连接。
本发明的一种数字式水平传感器的工作原理为：在重力作用下，摆锤7总是力图保持铅锤方向，当外壳随被测物倾斜时，摆锤7将相对外壳摆动一个角度（倾斜角ΔQ），从而带动T型推杆6转动同样的角度，并推动推杆24产生相应的位移⊿L1，通过检测⊿L1就可以获得外壳的倾斜角ΔQ（tanΔQ=⊿L1／h，其原理为公知数学常识，在此不再赘述）。⊿L1检测量过程为：当推杆24产生位移时，相应的储液管18中的膜片19也产生相同的位移⊿L1，进而使指示管16中的液体长度产生相应的变化，变化量为⊿L2，且⊿L2=(D/a)2⊿L1。
公式推导如下：由于液体不可压缩则有SD⊿L1=Sa⊿L2
其中SD=л(D/2)2Sa=л(a/2)2
故有л(D/2)2⊿L1=л(a/2)2⊿L2
整理得⊿L2=(D/a)2⊿L1
其中，D为储液管直径，a为指示管直径如图9所示。
通过测量⊿L2就可得到⊿L1，⊿L2的测量过程为，平行光源发出的光信号，在没有被透明的指示管16中的液体（液体为不透明液体）遮挡的部分光信号能传过去，线阵CCD26的象元能接收到光信号，输出为数字信号“1”（经信号处理电路处理后），而被透明的指示管16中的液体遮挡的部分光信号就传不过去，线阵CCD26的象元接收不到光信号，输出为数字信号“0”。微处理器31根据预定的算法对数字信号处理得到⊿L2（当被测物倾斜时两个指示管中液面出现差动，两个CCD中接受光信号的象元数不在相等，微处理器通过计算其差值来确定⊿L2，其原理为现有技术中成熟的技术，在此不再赘述），进而得到⊿L1，并根据tanΔQ=⊿L1／h得到倾斜角ΔQ，最后通过ΔQ确定水平度。（注：⊿L2=（N2-N1）d／2其中，N1、N2分别为两个CCD中受光照的象元个数，d为象元间距）。
液压式微位移放大部件是起预变换器的作用（感受被测量⊿L1并通过CCD将其变换为与被测量⊿L1有确定关系的电量），同时还起着提高分辨率的作用（例如取(D/a)2=100，则相当于把⊿L1放大100倍，其中，⊿L2=(D/a)2⊿L1，D为储液管直径，a为指示管直径，如图9所示，当取CCD的象元间距为0.01mm时，则对⊿L1的分辨率由0.01mm变为，0.01mm／100=0.0001mm）。
采用双（两个）液压微位移放大部件的作用是：
1）确定原点（倾斜角度为零的点），当两个指示管中的液面高度相同时（两个CCD的象元接受光信号的情况相同，即受光象元个数相同），定义倾斜角为零（只有发生倾斜时两个指示管中的液面才出现差动，即一个升高另一个降低）。
2）判定倾斜方向（当左边指示管中的液面升高时定义倾斜角为正，反之为负）。
3）减小温度的影响，当指示管中的液体长度因温度变化而变化时，因变化方向相同（同时升高或降低）且大小一样，因此相互抵消（减小温度的影晌对提高仪器的精度、灵敏度和稳定性来说是非常重要的）。
4）实现自动调零（只要两个指示管中的液面高度一样就定为零点）。
本发明的液压式微位移放大部件中的储液管相当于液压缸中的缸筒，膜片相当于液压缸中的活塞（膜片用橡胶材料制成），采用膜片作活塞不但密封可靠，还不会出现像刚性活塞那样的卡死问题，从而确保了测量的可靠性。液压式微位移量放大部件还能起到阻尼作用，因此不用再设置专门的阻尼机构。该部件原理简洁、结构简单紧凑，而且不存在机械磨损问题。（注：因为橡胶膜片很薄，加上行程很短，⊿L1＜0.8mm，所以圆形推板、橡胶膜片和储液管之间不会出现相互挤压的现象）
所述微处理器、信号处理电路、发光二极管驱动电路和CCD驱动电路，其工作方式、工作原理（如怎样发出信号，接收信号，对信号怎样处理等）均为现有技术中成熟的技术，在此不再赘述。
所述平行光源的结构、工作原理均为现有技术中成熟的技术，在此不再赘述。
本发明的数字式水平传感器，与传统的水平传感器相比，具有以下优点：
1）输出是数字信号，每个感应元（象元）都是以开关脉冲的形式输出信号（每个象元只有是否接收到光信号两种状态），取样数据只有“0”与“1”，克服了传统的模拟量检测方式本身带有模糊的成份，避免了受温度、空气压强、电场、磁场等多种环境分布参数的影响，大大地提高了检测的准确性、可靠性，不需要专门的A/D转换电路，这样可以避免A/D器件对精度的影响（因为A/D器件精度有限，在无形中会降低了数据精度），有利于减少测量时间，也利于信号的远距离传输。
2）分辨率很高，因为液压式微位移放大部件很容易实现很大的放大倍数（只要改变一下D和a的值即可，且D和a成平方关系），加上CCD的象元间距非常小（一般为0.01mm左右），所以很容易得到高分辨率。例如取(D/a)2=100，象元间距为0.01mm，则对⊿L1的分辨率为0.0001mm（0.01mm／100=0.0001mm），当取h=50mm，则分度值为0.002mm／m（0.0001mm*20／50mm*20=0.002mm／m），分辨率约为0.4角秒。
3）液压式微位移放大部件对位移量（⊿L1）的放大不会到受电磁场的影响，因此使传感器的抗干扰能力进一步得到提高（因此传感器灵敏度可以做的得很高）。
4）CCD是离散型元件，因此不存在非线性问题，在整个量程之内线性度一致。
5）能大大地减小温度的影响，因为当指示管中的液体长度因温度变化而变化时，由于变化方向相同（同时升高或降低）且大小一样，因此可以相互抵消（减小温度的影晌对提高仪器的精度、灵敏度和稳定性来说是非常重要的）。
6）性能稳定，能长期使用不需要校准。
此外，本发明还具有结构简单、制造容易、成本低等优点。
附图说明
图1为本发明的数字式水平传感器的结构示意图。
图2为图1的左视图。
图3为本发明的数字式水平传感器的液压式微位移放大部件的结构示意图。
图4为图3中A-A线剖视图。
图5为本发明的数字式水平传感器的固定座结构示意图。
图6为图5中B-B线剖视图。
图7为本发明的数字式水平传感器的电路原理示意图。
图8为液压式微位移放大部件和固定座的装配示意图。
图9为本发明的数字式水平传感器的计算示意图。
其中，1、上盖板；2、电路板；3、L型托架；4、液压式微位移放大部件；5、摆锤转轴；6、T型推杆；7、摆锤；8、壳体；9、限位块；10、引线；11、前盖板；12、固定座；13、固定座托架；14、摆锤转轴基座；15、螺钉；16、指示管；17、上壳体；18、储液管；19、膜片；20、下壳体；21、固定螺丝孔；22、圆形推板；23、导向孔；24、推杆；25、圆柱状透镜；26、线阵CCD；27、LED阵列固定板；28、LED阵列；29、毛玻璃；30、数据线；31、微处理器；32、CCD驱动电路；33、信号处理电路；34、LED驱动电路。
注：测量范围±1°。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
一种数字式水平传感器，包括外壳，外壳内设有电路***、悬挂摆部件、液压式微位移放大部件4和平行光源，如图1～图9所示，其中，
所述电路***的结构为：包括微处理器31、CCD驱动电路32、LED驱动电路34、信号处理电路33和线阵CCD26，其中，微处理器31通过LED驱动电路34与平行光源的LED阵列28连接；微处理器31通过CCD驱动电路32与线阵CCD连接26；微处理器31与信号处理电路33连接，信号处理电路33与线阵CCD26连接；
所述悬挂摆部件的结构为：包括摆锤7、T型推杆6、摆锤转轴5，摆锤7通过T型推杆6与摆锤转轴5活动连接；
所述液压式微位移放大部件4有两个，其结构为：包括储液管18以及由透明材料制成的指示管16，其中，储液管18由上壳体17和下壳体20扣合形成，储液管18内设有膜片19（为橡胶膜片），膜片19下方设有圆形推板22，推板22下部连接有推杆24，相应地，下壳体20上设有导向孔23，推杆24穿过导向孔23，推杆24末端与T型推杆6紧密接触（一个液压式微位移放大部件4的推杆24与T型推杆6的一端紧密接触，另一个液压式微位移放大部件4的推杆24与T型推杆6的另一端紧密接触）；指示管16位于储液管18上方，并穿过上壳体17与储液管18连通；平行光源设置在指示管16侧面，相应地，指示管16另一侧设有线阵CCD26，平行光源发出的光穿过指示管16后照射到线阵CCD26上；使用时，储液管中盛有不透明液体；
所述平行光源的结构为：包括由外向内依次排列的LED阵列28、毛玻璃29和圆柱状透镜25。线阵CCD26与指示管16之间也设有用于聚焦的圆柱状透镜25。
所述外壳由壳体8、位于壳体8上部的上盖板1和位于壳体8前部的前盖板11构成，壳体8、上盖板1和前盖板11之间围成一个相对密闭的空间；壳体8底部设有两个限位块9，摆锤7位于两个限位块9之间，限位块的作用是：限制摆锤摆动范围。
所述上壳体17和下壳体20之间通过螺钉15连接。
具体应用时，壳体8内壁上设有电路板2和L型托架3，L型托架3上设有摆锤转轴基座14，电路***（包括微处理器31、CCD驱动电路32、LED驱动电路34、信号处理电路33）固定在电路板2上，微处理器31通过引线10（引线10穿过上盖板1；引线10包括电源线和数据线30）与电源和相关的数据处理电路连接，摆锤转轴5固定在摆锤转轴基座14上，液压式微位移放大部件4固定在L型支承板3上；LED阵列28固定在LED阵列固定板27上，LED阵列固定板27和线阵CCD26均固定在固定座12上，固定座12通过固定座托架13固定在L型托架3上。
本发明的一种数字式水平传感器的工作原理为：在重力作用下，摆锤7总是力图保持铅锤方向，当外壳随被测物倾斜时，摆锤7将相对外壳摆动一个角度（倾斜角ΔQ），从而带动T型推杆6转动同样的角度，并推动推杆24产生相应的位移⊿L1，通过检测⊿L1就可以获得外壳的倾斜角ΔQ（tanΔQ=⊿L1／h，其原理为公知数学常识，在此不再赘述）。⊿L1检测量过程为：当推杆24产生位移时，相应的储液管18中的膜片19也产生相同的位移⊿L1，进而使指示管16中的液体长度产生相应的变化，变化量为⊿L2，且⊿L2=(D/a)2⊿L1。
公式推导如下：由于液体不可压缩则有SD⊿L1=Sa⊿L2
其中SD=л(D/2)2Sa=л(a/2)2
故有л(D/2)2⊿L1=л(a/2)2⊿L2
整理得⊿L2=(D/a)2⊿L1
其中，D为储液管直径，a为指示管直径如图9所示。
通过测量⊿L2就可得到⊿L1，⊿L2的测量过程为，平行光源发出的光信号，在没有被透明的指示管16中的液体（液体为不透明液体）遮挡的部分光信号能传过去，线阵CCD26的象元能接收到光信号，输出为数字信号“1”（经信号处理电路处理后），而被透明的指示管16中的液体遮挡的部分光信号就传不过去，线阵CCD26的象元接收不到光信号，输出为数字信号“0”。微处理器31根据预定的算法对数字信号处理得到⊿L2（当被测物倾斜时两个指示管中液面出现差动，两个CCD中接受光信号的象元数不在相等，微处理器通过计算其差值来确定⊿L2，其原理为现有技术中成熟的技术，在此不再赘述），进而得到⊿L1，并根据tanΔQ=⊿L1／h得到倾斜角ΔQ，最后通过ΔQ确定水平度。（注：⊿L2=（N2-N1）d／2其中，N1、N2分别为两个CCD中受光照的象元个数，d为象元间距）。
液压式微位移放大部件是起预变换器的作用（感受被测量⊿L1并通过CCD将其变换为与被测量⊿L1有确定关系的电量），同时还起着提高分辨率的作用（例如取(D/a)2=100，则相当于把⊿L1放大100倍，其中，⊿L2=(D/a)2⊿L1，D为储液管直径，a为指示管直径，如图9所示，当取CCD的象元间距为0.01mm时，则对⊿L1的分辨率由0.01mm变为，0.01mm／100=0.0001mm）。

Claims (6)

1.一种数字式水平传感器，其特征在于：包括外壳，外壳内设有电路***、悬挂摆部件、液压式微位移放大部件和平行光源，其中，
所述电路***的结构为：包括微处理器、CCD驱动电路、LED驱动电路、信号处理电路和线阵CCD，其中，微处理器通过LED驱动电路与平行光源的LED阵列连接；微处理器通过CCD驱动电路与线阵CCD连接；微处理器与信号处理电路连接，信号处理电路与线阵CCD连接；
所述悬挂摆部件的结构为：包括摆锤、T型推杆、摆锤转轴，摆锤通过T型推杆与摆锤转轴活动连接；
所述液压式微位移放大部件有两个，其结构为：包括储液管以及由透明材料制成的指示管，其中，储液管由上壳体和下壳体扣合形成，储液管内设有膜片，膜片下方设有推板，推板下部连接有推杆，相应地，下壳体上设有导向孔，推杆穿过导向孔，推杆末端与T型推杆紧密接触；一个液压式微位移放大部件的推杆与T型推杆的一端紧密接触，另一个液压式微位移放大部件的推杆与T型推杆的另一端紧密接触；指示管位于储液管上方，并穿过上壳体与储液管连通；平行光源设置在指示管侧面，相应地，指示管另一侧设有线阵CCD，平行光源发出的光穿过指示管后照射到线阵CCD上；
指示管内的液体是不透明的，平行光源发出的光穿过指示管后照射到线阵CCD上并产生相应的数字信号，当被测物倾斜时，两个指示管中液面出现差动，微处理器通过两个线阵CCD中接受光信号的象元数差值计算得到水平度。
2.根据权利要求1所述的数字式水平传感器，其特征在于：所述平行光源的结构为：包括由外向内依次排列的LED阵列、毛玻璃和圆柱状透镜；线阵CCD与指示管之间也设有用于聚焦的圆柱状透镜。
3.根据权利要求1所述的数字式水平传感器，其特征在于：所述外壳由壳体、位于壳体上部的上盖板和位于壳体前部的前盖板构成，壳体、上盖板和前盖板之间围成一个相对密闭的空间；壳体底部设有两个限位块，摆锤位于两个限位块之间。
4.根据权利要求1所述的数字式水平传感器，其特征在于：上壳体和下壳体之间通过螺钉连接。
5.根据权利要求1所述的数字式水平传感器，其特征在于：所述膜片为橡胶膜片。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的数字式水平传感器，其特征在于：所述壳体内壁上设有电路板和L型托架，L型托架上设有摆锤转轴基座，微处理器、CCD驱动电路、LED驱动电路、信号处理电路均固定在电路板上，微处理器通过引线(10)与外部的电源和相关的数据处理电路连接，摆锤转轴固定在摆锤转轴基座上，液压式微位移放大部件固定在L型托架上；LED阵列固定在LED阵列固定板上，LED阵列固定板和线阵CCD均固定在固定座上，固定座通过固定座托架固定在L型托架上。
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