CN110631552A - 一种光电式液体摆二维倾角传感器 - Google Patents

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李忠科
乐开端
杜新虎
杨卫军
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Abstract

本发明公开了一种光电式液体摆二维倾角传感器，包括点光源、半透半反镜、物镜、液体和CMOS图像传感器，点光源发射的光束照射在半透半反镜上，光束经过反射照射至物镜，转换成平行光照射在液体表面，经液体表面反射后再次经过物镜和半透半反镜后，聚焦成光孔的像，照射在CMOS图像传感器的相面上，CMOS图像传感器根据点光源与相面中心的距离确定待测量面的倾角。该装置结构简单，体积小，通过点光源的反射在相面上与相面中心的距离通过重心算法计算测量面的倾角，大大提高了测量精度。

Description

一种光电式液体摆二维倾角传感器
技术领域
本发明涉及大地水平测技术领域，具体为一种光电式液体摆二维倾角传感器。
背景技术
大地水平测量应用非常广泛，建筑、交通、水利、矿山、军事等诸多领域都需要不同测量精度的水平度或垂直度的测量。用于水平度或垂直度测量的仪器工具非常丰富，有的已经应用千百年，也有的是应用最新技术原理的新成果。如铅锤和水平尺，具有非常古老的历史，而石英加速计、微机械加速度计则是近年才大量应用的产品。
根据应用场合的不同，需要不同类型的倾角传感器。比如地震观测，需要非常高的测量精度，但是对传感器体积大小无特殊限制，于是可以使用灵敏度很高的石英水平摆。微小型无人飞行器的姿态控制则需要高动态响应的微型倾斜传感器。人工建筑倾斜量观测需要长时间稳定性高的产品。武器***则可能只要求在很短的工作时间内能保证测量精度。
图1是液体摆倾角传感器的结构，导电液体被密封于盒内，一对或两对边缘电极***液体，中心有公共电极。通到盒外。液体有一定的电阻率，当水平状态时，中心电极到各边缘电极的电阻相同，当倾斜时，上述电阻发生变化。检测电阻变化，可以反推出倾斜角度。
通常用电桥检测液体电阻的变化。而且为了防止电解反应，使用交流电桥驱动。液体摆传感器体积较小，灵敏度高。缺点是温漂大，长期稳定性差，批量应用时一致性的控制比较困难。
此外，还有气体摆、膜电位、电容式、加速度计等倾角传感器。其中加速度计式传感器由于能进行动态测量，被广泛用于无人机、自动驾驶等运动状态下的倾斜测量。其体积小，测量范围大，稳定性高，但是要达到1角秒以下的灵敏度比较困难，随着精度的提高，成本急剧增加。
发明内容
针对现有测量设备测量精度低的问题，本发明提供一种光电式液体摆二维倾角传感器，其结构体积小，测量的一致性好且精度高。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种光电式液体摆二维倾角传感器，包括点光源和放置在待测量面上的密封液体盒，密封液体盒中灌装有液体；
所述点光源的照射路径上设置有半透半反镜，半透半反镜的反射光路上设置有物镜，半透半反镜的反射光经过物镜照射在液体的表面；
液体的反射光路上设置有CMOS图像传感器，液体的反光经过物镜和半透半反镜聚焦成点光源的像，并照射在CMOS图像传感器的相面上，CMOS图像传感器根据点光源的像与相面中心的距离确定待测量面的倾角。
优选的，所述点光源包括LED光源和小孔板，小孔板垂直设置在LED光源的光路上，小孔板上设置有光孔，LED光源发射的光源通过光孔形成点光源照射在半透半反镜上。
优选的，所述半透半反镜倾斜45°设置，使反射光照射在物镜上。
优选的，所述密封液体盒、物镜、半透半反镜和CMOS图像传感器，自下而上依次设置在壳体中，点光源设置在壳体的外侧壁上。
优选的，所述密封液体盒的顶部设置物镜安装孔，物镜密封安装在物镜安装孔中，密封液体盒设置在壳体的底部。
优选的，所述密封液体盒的内表面做消光处理。
优选的，所述CMOS图像传感器包括CMOS图像传感器像面和CMOS摄像头电路，CMOS图像传感器像面位于壳体的顶部，并位于液体反光经过半透半反镜的透射光路上，CMOS摄像头电路与CMOS图像传感器像面电连接。
优选的，所述物镜为双胶合透镜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种光电式液体摆二维倾角传感器，包括点光源、半透半反镜、物镜、液体和CMOS图像传感器，点光源发射的光束照射在半透半反镜上，光束经过反射照射至物镜，转换成平行光照射在液体表面，经液体表面反射后再次经过物镜和半透半反镜后，聚焦成光孔的像，照射在CMOS图像传感器的相面上，CMOS图像传感器根据点光源与相面中心的距离确定待测量面的倾角。该装置结构简单，体积小，通过点光源的像照射在CMOS图像传感器相面上位置与相面中心的距离，采用重心算法计算测量面的倾角，大大提高了测量精度。
点光源采用LED光源和小孔板组成，较激光光源相比较，大大降低了成本，同时延长了使用寿命。
将液体、物镜、半透半反镜和CMOS图像传感器设置在壳体中，将壳体的底部放置在待测量面上，测量方法简单，易于操作。
将液体灌注在密封盒体中，防止液体泄漏，进一步提高使用寿命，同时液位的变化不会影响测量精度。
对密封盒体的内部进行消光处理，避免进入密封液体盒中的光被反射，保持测量的一致性，同时也提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明光电式液体摆二维倾角传感器结构图；
图2为本发明电式液体摆二维倾角传感器的光路图；
图3为本发明电式液体摆二维倾角传感器的等效光路图；
图4为本发明LED光源的主视图；
图5为本发明LED光源的侧视图。
图中：1密封液体盒；2液体；3物镜；4壳体；5光源盒；6.小孔板；7LED光源；8半透半反镜；9CMOS图像传感器像面；10 CMOS摄像头电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1和2，一种光电式液体摆二维倾角传感器，包括壳体4、光源组件、液体2、半透半反镜8、物镜3和CMOS图像传感器。
其中，液体2设置在壳体4的底部，物镜3设置在壳体中并位于液体的顶部，半透半反镜8倾斜设置在物镜3的顶部，CMOS图像传感器设置在壳体4的上端，并位于半透半反镜8的顶部。
光源组件发射的光束经过光孔照射在半透半反镜8上，光束经过反射照射至物镜3，转换成垂直光照射在液体表面，经液体表面反射后再次经过物镜3和半透半反镜8后，聚焦成光孔的像，照射在CMOS图像传感器上。
当聚焦的光孔的像照射在CMOS图像传感器相面的中心，则该测量面为水平面。
当聚焦的光孔的像没有照射在CMOS图像传感器相面的中心，则该测量面出现倾斜，根据光孔的像与相面的中心的距离，计算倾斜角度和倾斜量。
半透半反镜8的倾斜角度为45°。
参阅图4和5，所述光源组件包括光源盒5，以及设置在光源盒5中的LED光源7，以及设置在LED光源7光路上的小孔板6，小孔板6上设置有光孔，LED光源7发射的光经过光孔照射在半透半反镜8上，光源盒5固定在壳体的侧壁上。
所述LED光源7为1-3W的短波长LED器件。
所述小孔板为金属薄片，中心打小孔，优选为直径为0.01mm。
所述液体2灌装在密封液体盒1中，密封液体盒1的顶部设置有物镜安装孔，物镜密封安装在物镜安装孔中，并位于半透半反镜8的反射光路上。
所述物镜为双胶合透镜，物镜在组成对称结构的状态下应具有良好的成像性能。
所述液体具有流平性、透明、低冰点、高沸点、无毒性质。
所述CMOS图像传感器包括CMOS图像传感器像面9和CMOS摄像头电路10，CMOS图像传感器像面位于壳体4的顶部，并位于半透半反镜8的透射光路上，CMOS摄像头电路10与CMOS图像传感器像面9电连接。
用LED光源和小孔板的方法形成点光源，一是成本低可靠性高，二是具有可维护性。若光源损坏，LED的理论无故障时间为数万小时，比激光器可靠性高，万一需要更换LED，也不影响连续观测，因为小孔的位置不变。长期稳定性就不会由于需要更换光源而受影响。
密封液体盒1的内表面做消光处理，进入密封液体盒1中的光不被反射。液体表面一般反射率20％左右，足够CMOS传感器探测。
若液体倾斜角为a，反射角变化2a，有一倍的增益，温度变化引起的液面升降，理论上不影响像点位置。
实施例1
参阅图2和3，在等效光路图中，像和物均处于对称物镜的二倍焦距处，像与物等尺寸，成像效果良好。
图中所用物镜为双胶合透镜，焦距110mm；LED为1w白光；小孔直径0.02mm；CMOS图像传感器对角线长12.7mm，长X＝10.16，宽Y＝7.62，长宽比为4:3，像元尺寸3.2微米，则X方向像素数为3175，Y方向像素数为2381。液体为煤油，直径20mm，深度5mm。
图像识别精度为0.2个像素，像点直径10像素，焦点直径0.03mm，采用重心算法计算结果如下：
量程：±0.98°，分辨率：0.6角秒。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光电式液体摆二维倾角传感器，其特征在于，包括点光源和放置在待测量面上的密封液体盒(1)，密封液体盒(1)中灌装有液体(2)；
所述点光源的照射路径上设置有半透半反镜(8)，半透半反镜(8)的反射光路上设置有物镜(3)，半透半反镜(8)的反射光经过物镜(3)照射在液体(2)的表面；
液体(2)的反射光路上设置有CMOS图像传感器，液体(2)的反光经过物镜(3)和半透半反镜(8)聚焦成点光源的像，并照射在CMOS图像传感器的相面上，CMOS图像传感器根据点光源的像与相面中心的距离确定待测量面的倾角。
2.根据权利要求1所述光电式液体摆二维倾角传感器，其特征在于，所述点光源包括LED光源(7)和小孔板(6)，小孔板(6)垂直设置在LED光源(7)的光路上，小孔板(6)上设置有光孔，LED光源(7)发射的光源通过光孔形成点光源照射在半透半反镜(8)上。
3.根据权利要求1所述光电式液体摆二维倾角传感器，其特征在于，所述密封液体盒(1)、物镜(3)、半透半反镜(8)和CMOS图像传感器，自下而上依次设置在壳体(4)中，点光源设置在壳体(4)的外侧壁上。
4.根据权利要求3所述光电式液体摆二维倾角传感器，其特征在于，所述密封液体盒(1)的顶部设置物镜安装孔，物镜密封安装在物镜安装孔中，密封液体盒(1)设置在壳体的底部。
5.根据权利要求4所述光电式液体摆二维倾角传感器，其特征在于，所述密封液体盒(1)的内表面做消光处理。
6.根据权利要求1所述光电式液体摆二维倾角传感器，其特征在于，所述CMOS图像传感器包括CMOS图像传感器像面(9)和CMOS摄像头电路(10)，CMOS图像传感器像面位于壳体(4)的顶部，并位于液体反光经过半透半反镜(8)的透射光路上，CMOS摄像头电路(10)与CMOS图像传感器像面(9)电连接。
7.根据权利要求1所述光电式液体摆二维倾角传感器，其特征在于，所述物镜为双胶合透镜。
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