一种光电式液体摆二维倾角传感器的制作方法

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。武器系统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插入液体，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。

技术实现要素：

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；10cmos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。