專利名稱：傾角傳感器及其感測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傾角傳感器，且特別是有關(guān)于一種利用偵測(cè)液位線的變化， 來(lái)計(jì)算傾斜角度的傾角傳感器及其感測(cè)方法。
背景技術(shù)：
水平氣泡(Vkl)是廣泛地使用在許多量測(cè)儀器中，以作為調(diào)整儀器置放水平度的一種水平感測(cè)組件。使用水平氣泡來(lái)量測(cè)水平度，雖然具有組件小型、易于取 得及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但也因?yàn)樗蕉鹊牧繙y(cè)，必須仰賴使用者的觀測(cè)，才能判 斷裝置水平氣泡的待測(cè)物的水平度，故量測(cè)所得的水平度，除了會(huì)因?yàn)槭褂谜叩?不同而有不同的觀測(cè)結(jié)果，使得誤差十分難以控制外，更無(wú)法滿足現(xiàn)今自動(dòng)化儀 器的功能需求。因此，各種不同的電子式傾角傳感器乃應(yīng)運(yùn)而生。例如，有-種傾角傳感器 是在裝置電解液的容器中放入多個(gè)電極，以偵測(cè)電解液的電導(dǎo)度變化，來(lái)判斷待 測(cè)物的水平度。此種傾角傳感器雖然可以搭配控制電路，來(lái)自動(dòng)調(diào)整待測(cè)物的水 平度，但因?yàn)殡娊庖涸谑褂靡欢螘r(shí)間后，會(huì)因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)而釋放出氫氣，使得電 極偵測(cè)的阻抗飄移，進(jìn)而產(chǎn)生量測(cè)誤差。為了改善此一缺失，中國(guó)臺(tái)灣公告第1230250號(hào)發(fā)明專利，乃提出一種非接 觸式電子水平傳感器，其是利用光源照射水平氣泡，再以電荷耦合裝置(Charge Coupled Device,.簡(jiǎn)稱CCD)或互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,簡(jiǎn)稱CMOS)組件等光傳感器，來(lái)接收光線的照射，以偵測(cè)氣泡的 位置，并據(jù)以判斷裝置水平氣泡的待測(cè)物是否傾斜。另外，中國(guó)臺(tái)灣第95142934號(hào)發(fā)明專利申請(qǐng)案，則提出一種電子式水平傳感 器及其感測(cè)方法，其是將一光源所產(chǎn)生的光束，以一定的角度朝向水平液面計(jì)的 液面投射，并使用光感測(cè)單元，來(lái)偵測(cè)由水平液面計(jì)的液面所反射的光束，再依 據(jù)所偵測(cè)的光束的位置，來(lái)輸出代表水平傳感器的傾斜角度的電子信號(hào)。前述的電子式水平傳感器，所使用的原理不盡相同，可達(dá)成的功效亦有長(zhǎng)短,故可提供使用者因應(yīng)不同的需求來(lái)選擇。因此，如能提供一種與前述水平傳感器 具有不同原理與特性的傾角傳感器，以因應(yīng)自動(dòng)化ft測(cè)時(shí)代的多樣化需求，乃為 使用者的殷切期盼。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種利用偵測(cè)液位線的變化，來(lái)計(jì)算傾斜角 度的傾角傳感器及其感測(cè)方法，以滿足使用者更多樣化的設(shè)計(jì)需求。為達(dá)上述及其它目的，本發(fā)明提供一種傾角傳感器，適用于偵測(cè)待測(cè)物的傾 斜角度，此傾角傳感器包括水平液位計(jì)、光源、光傳感器與處理單元。其中，水 平液位計(jì)為裝置有液體的容器所構(gòu)成，因此，容器內(nèi)即可形成維持水平的液位線。 光源是設(shè)置在水平液位計(jì)的一側(cè)，用以產(chǎn)生朝向液位線投射的光束。光傳感器是 設(shè)置在與光源相反的水平液位計(jì)的另一側(cè)，用以接收通過(guò)液位線的光束，并輸出 代表所接收的光束強(qiáng)度的多個(gè)電子信號(hào)。而處理單元?jiǎng)t耦接光傳感器，用以接收 前述的電子信號(hào)，以偵測(cè)液位線的位置，并依據(jù)所偵測(cè)的液位線的位置變化，來(lái) 計(jì)算傾斜角度。本發(fā)明另提供一種傾角感測(cè)方法，適用于偵測(cè)待測(cè)物的傾斜角度，此傾角感 測(cè)方法包括下列步驟首先提供可在容器內(nèi)維持水平的一液位線*,再以一光束在 容器的一側(cè)朝向液位線投射以及在容器的另一側(cè)，接收通過(guò)液位線的光束，以 便偵測(cè)液位線的位置，并依據(jù)所偵測(cè)的液位線的位置變化，來(lái)計(jì)算傾斜角度。為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明昆易懂，下文特以較佳 實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說(shuō)明如下


圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的水平液位計(jì)的立體圖；圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的一種傾角傳感器的立體圖；圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的一種傾角傳感器的操作示意圖；圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的一種傾角傳感器的操作示意圖圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的一種傾角傳感器的操作示意圖；圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的一種傾角傳感器的另一角度操作示意圖；圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的一種傾角傳感器的操作示意圖 圖8是顯示根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的一種傾角傳感器的操作示意圖。 附圖標(biāo)記說(shuō)明11水平液位計(jì)；111液體；112容器113氣體；115、 215、 415、 515、 715、 815液位線；20、 40、 50、 70、 80傾角傳感器；21光源；2U光 束；22、 42、 52、 72、 82光傳感器；221、 722感測(cè)單元；222電子信號(hào)；23處 理單元；231模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路；232微處理器；233內(nèi)存；421、 422 、 521、 522線數(shù)組影像傳感器。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參考圖l所示，其為根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的水平液位計(jì)的立體圖。圖中， 此水平液位計(jì)11為裝置有液體111的容器112所構(gòu)成，容器112較佳地為玻璃或 塑料所制成的圓柱形的密閉容器。當(dāng)然，容器112也可以因應(yīng)需求而制作成其它 不同的型式。如圖所示，容器112的部分空間用來(lái)容納液體Ul,其余空間則為抽真空或 充滿例如是空氣的氣體113,或亦可注入與液體111不會(huì)相互溶和的另 一種液體。 因此，容器112內(nèi)便形成有可維持水平的液位線U5。請(qǐng)參考圖2與3所示，其分別為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的一種傾角傳感器的 立體圖與操作示意圉。圖中，此傾角傳感器20除了包括如圖1的水平液位計(jì)11 外，也包括分別設(shè)置于水平液位計(jì)11方向相反的兩側(cè)邊的光源21與光傳感器22, 以及耦接光傳感器22的處理單元23。光源21例如是可以使用發(fā)光二極管(LED), 處理單元23則例如是包括模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路231、微處理器232與內(nèi)存233。水平液位計(jì)11的液體111較佳地是選自甲醇、乙醇或乙醚與水的混合溶液， 以便提高水平液位計(jì)11的可使用溫度范圍。光源21是用以產(chǎn)生朝向液位線115 投射的光束2U，而光傳感器22則可以使用例如是電荷耦合裝置(Charge Coupled Device , 簡(jiǎn)稱CCD)或互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,簡(jiǎn)稱CMOS)等的線數(shù)組影像傳感器(Linear Sensor)。如圖所示，光傳感器22會(huì)接收通過(guò)液位線115的光束2n,并輸出代表所接 收的光束211強(qiáng)度的多個(gè)電子信號(hào)222。也就是說(shuō)，光傳感器22的每一感測(cè)單元 221，都會(huì)輸出與所接收的光束211強(qiáng)度成比例的模擬電子信號(hào)222。這些模擬電 了-信號(hào)222經(jīng)由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路231轉(zhuǎn)換為數(shù)字信g-后，再由微處理器232讀取并存入內(nèi)存233中，以便微處理器232可以依據(jù)這些電子信號(hào)222,來(lái)偵測(cè)液 位線115的位置，并根據(jù)所偵測(cè)的液位線的位置變化，來(lái)計(jì)算傾斜角度。例如，當(dāng)傾斜傳感器20隨著待測(cè)物(未繪示)的移動(dòng)而傾斜時(shí)，液位線i15 可能會(huì)變換至圖3中虛線所示的液位線215的位置。此吋，微處理器232即可依 據(jù)所偵測(cè)的液位線215的位置變化，來(lái)計(jì)算傾斜角度0，如下式所示-f ............ (1)其中，s為所偵測(cè)的液位線215的位置F與傾角傳感器20在水平位置時(shí)所偵 測(cè)的液位線U5的位置P間的高度差，此一高度差可以液位線215的位置P'與液 位線115的位置P間的光傳感器22的感測(cè)單元221數(shù)目，乘以每一光傳感器22 的感測(cè)單元221的高度即可得。而r則為光傳感器22投影在液位線115上，也就 是位置P時(shí)，與液位線IIS的中心點(diǎn)O間的距離。亦即，s為傾斜的液位線215 的線段^"'在縱軸上的投影^的長(zhǎng)度，而r則為傾斜的液位線215的線段^在 橫軸上的投影，的長(zhǎng)度。請(qǐng)參考圖4所示，其為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的-*種傾角傳感器的操作示意 圖。本實(shí)施例的傾角傳感器40與第一實(shí)施例的傾角傳感器20的結(jié)構(gòu)大致均相同， 惟為了消除液位線115受溫度的變化而升降的影響，此傾角傳感器40的光傳感器 42，是包括相互平行、且與液位線115的中心點(diǎn)0具有相同距離的兩個(gè)線數(shù)組影 像傳感器421與422。因此，式(1)中傾角傳感器40的液位線U5與傾角傳感 器40傾斜時(shí)所偵測(cè)的液位線415的高度差，即可以兩個(gè)線數(shù)組影像傳感器421 與422所偵測(cè)的液位線4i5的位置差來(lái)計(jì)算，而不受傾角傳感器40在水平時(shí)，液 位線115的高度變化的影響。請(qǐng)參考圖5所示，其為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的一種傾角傳感器的操作示意 圖。本實(shí)施例的傾角傳感器50與第一實(shí)施例的傾角傳感器20的結(jié)構(gòu)亦大致均相 同，惟為了擴(kuò)大傾角傳感器50得以偵測(cè)的傾斜角度8的范圍，此傾角傳感器50 的光傳感器52,是包括相互垂直、且與液位線115的中心點(diǎn)O具有相同距離的兩 個(gè)線數(shù)組影像傳感器521與522。因此，當(dāng)傾角傳感器50的傾斜角度太大，使得 液位線115逸出線數(shù)組影像傳感器521與522其中的-的偵測(cè)范圍時(shí),液位線i15 也將進(jìn)入另--線數(shù)組影像傳感器521或522的可偵測(cè)范圍(如圖6所示)。請(qǐng)參考圖7所示，其為根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的-種傾角傳感器的操作示意 圖。本實(shí)施例的傾角傳感器70也具有與前述實(shí)施例相近的結(jié)構(gòu)，惟此傾角傳感器70的光傳感器72,巳不再使用一維的線數(shù)組影像傳感器，而是代的以二維數(shù)組影 像傳感器。二維數(shù)組影像傳感器因?yàn)榫哂信帕袨槎S數(shù)組的多個(gè)感測(cè)單元722，可以用 來(lái)偵測(cè)液位線115的實(shí)際位置，故可依據(jù)所偵測(cè)的液位線115的實(shí)際位置，來(lái)計(jì) 算獲得其傾斜角度。例如，當(dāng)傾角傳感器70傾斜而使得液位線115變換至虛線的 液位線715位置時(shí)，則可以取光傳感器72所感測(cè)的液位線715上的任意兩點(diǎn)間的 線段為斜邊，并以涵蓋斜邊的矩形在橫軸與縱軸上的感測(cè)爭(zhēng)元722的數(shù)目，來(lái)計(jì) 算傾斜的液位線715的線段分別在橫軸與縱軸上的投影長(zhǎng)度，進(jìn)而計(jì)算獲得其傾 斜角度e 。請(qǐng)參考圖8所示，其為根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的一種傾角傳感器的操作示意 圖》本實(shí)施例的傾角傳感器80也具有與前述實(shí)施例相近的結(jié)構(gòu)，惟此傾角傳感器 80的光傳感器82，是以四象限光傳感器來(lái)取代。四象限光傳感器通常是包括分布在平面上的每一象限的4個(gè)光感測(cè)單元(如 圖8中分別分布在第1、 2、 3與4象限上的光感測(cè)單元1、 2、 3與4),每一光 感測(cè)單元?jiǎng)t依據(jù)所接收的光的強(qiáng)度，而輸出代表光強(qiáng)度的電流或電壓信號(hào)。假設(shè) 圖8中分布在第K 2、 3與4象限上的4個(gè)光感測(cè)單元所偵測(cè)到的光強(qiáng)度分別為 II、 12、 13與14,則根據(jù)以下(2)或(3)兩式計(jì)算所得的Y或X值，其大小均 會(huì)與傾角傳感器80的傾斜角度0成一定的關(guān)系，故可依其關(guān)系來(lái)計(jì)算取得傾角傳 感器80的傾斜角度8的值。<formula>formula see original document page 8</formula>雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng) 域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)所作的各種更動(dòng)與潤(rùn)飾，亦屬本發(fā) 明的范圍。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求所界定為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種傾角傳感器，適用于偵測(cè)一待測(cè)物的一傾斜角度，其特征在于，包括一水平液位計(jì)，為裝置有一液體的一容器所構(gòu)成，在所述容器內(nèi)形成維持水平的一液位線；一光源，設(shè)置于所述水平液位計(jì)的一側(cè)，產(chǎn)生朝向所述液位線投射的一光束；一光傳感器，設(shè)置于與所述光源相反的所述水平液位計(jì)的另一側(cè)，接收通過(guò)所述液位線的所述光束，并輸出代表所接收的所述光束強(qiáng)度的多個(gè)電子信號(hào)以及一處理單元，耦接所述光傳感器，接收所述電子信號(hào)，以偵測(cè)所述液位線的位置，并依據(jù)所偵測(cè)的所述液位線的位置變化，來(lái)計(jì)算所述傾斜角度。
2. 如權(quán)利要求1所述的傾角傳感器，其特征在于所述容器為玻璃或塑料所 制成的圓柱形密閉容器。
3. 如權(quán)利要求2所述的傾角傳感器，其特征在于所述容器的半數(shù)空間裝置有所述液體，所述液體是選自甲醇、乙醇或乙醚與水的混合溶液，未裝置所述液 體的其余空間則充滿氣體。
4. 如權(quán)利要求2所述的傾角傳感器，其特征在于所述光傳感器包括一線數(shù)組影像傳感器，而所述處理單元計(jì)算所述傾斜角度e的公式為 。其中，S為所偵測(cè)的所述液位線的位置與傾角傳感器在水平位置時(shí)所偵測(cè)的所述液位線 的位置間的高度差，而r則為所述線數(shù)組影像傳感器投影在所述液位線時(shí)，與所 述液位線中心點(diǎn)間的距離。
5. 如權(quán)利要求4所述的傾角傳感器，其特征在于所述光傳感器更包括另一-線數(shù)組影像傳感器，設(shè)置在與所述線數(shù)組影像傳感器相互平行，且距離所述液位 線中心點(diǎn)同樣為r的位置。
6. 如權(quán)利要求4所述的傾角傳感器，其特征在于所述光傳感器更包括另^線數(shù)組影像傳感器，設(shè)置在與所述線數(shù)組影像傳感器相互垂直，且距離所述液位線中心點(diǎn)同祥為r的位置n
7. 如權(quán)利要求1所述的傾角傳感器，其特征在3二所述光傳感器為一二維數(shù)組影像傳感器。
8. 如權(quán)利要求1所述的傾角傳感器，其特征在于所述光傳感器為一四象限 光傳感器。
9. 一種傾角感測(cè)方法，適用子偵測(cè)--待測(cè)物的一傾斜角度，其特征在于，包括下列步驟提供可在一容器內(nèi)維持水平的一液位線；以一光束在所述容器的一 側(cè).朝向所述液位線投射；以及在所述容器的另--側(cè)，接收通過(guò)所述液位線的所述光滎，以偵測(cè)所述液位線的位置，并依據(jù)所偵測(cè)的所述液位線的位置變化，來(lái)計(jì)算所述傾斜角度。
10.如權(quán)利要求9所述的傾角感測(cè)方法，其特征在于計(jì)算所述傾斜角度8的公式為 ~其中，S是傾斜的所述液位線的線段在縱軸上的投影長(zhǎng)度，而r則為傾斜的所述液位線的線段在橫軸上的投影長(zhǎng)度。
全文摘要
一種傾角傳感器及其感測(cè)方法，是將一光源所產(chǎn)生的光束，朝向水平液位計(jì)的液位線投射，并使用設(shè)置在水平液位計(jì)另一側(cè)的光傳感器，來(lái)接收通過(guò)液位線的光束，以輸出代表所接收的光束強(qiáng)度的多個(gè)電子信號(hào)。前述電子信號(hào)輸入至處理單元，以偵測(cè)水平液位計(jì)的液位線的位置變化，藉以計(jì)算取得傾斜角度。
文檔編號(hào)G01C9/06GK101236080SQ20071000281
公開(kāi)日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2007年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月1日
發(fā)明者王仁椲, 黃肇基 申請(qǐng)人:方礎(chǔ)光電科技股份有限公司