专利名称：电子式水平传感器及其感测方法
技术领域：
本发明涉及的是一种角度测量装置，特别涉及的是一种利用水平液面所反射 的光束，来侦测待测物的倾斜角度的电子式水平传感器及其感测方法。
背景技术：
水平传感器是广泛地使用在许多量测仪器中，以作为调整仪器置放水平度的
参考源，例如，水平气泡(Vial)便是迄今为止仍然十分普及的一种水平感测组件。 水平气泡虽然具有小型、易于取得与成本低廉等优点，然而，由于其必须仰 赖使用者的观测，才能判断所装置待测物的水平度。明显地，除了会因为使用者 的不同而有不同的观测结果，使得误差十分难以控制外，更无法满足现今自动化 仪器的功能需求。因此，各种不同的电子式水平传感器乃应运而生。现有已有多种不同的电子式水平传感器，例如，有一种水平传感器是在水平 传感器的电解液中放入多个电极，以侦测电解液的电导度变化，来判断待测物的 水平度；另一种水平传感器是使用光源来照射水平气泡，并以两个光敏电阻置放 在水平气泡的两端，由光敏电阻阻值的变化，来判断待测物的水平度；再一种水 平传感器也是使用光源来照射水平气泡，并以放置在水平气泡另一面的线性影像 传感器，来侦测气泡影像的变化，以判断待测物的水平度等等。
以上所述的电子式水平传感器，所使用的原理不尽相同，所可达成的功效也 有长短，故可提供使用者因应不同的需求作选择。因此，提供一种与前述水平传 感器具有不同原理与特性的电子式水平传感器，以因应自动化量测时代的多样化 需求，乃为使用者的殷切期盼。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种电子式水平传感器及其感测方法，利用 水平液面所反射的光束，来侦测待测物的倾斜角度的电子式水平传感器及其感测 方法，以满足使用者更多样化的设计需求。
为达上述及其它目的，本发明提供一种电子式水平传感器，适用在侦测一待
测物的倾斜角度。此电子式水平传感器包括水平液面计、光源与光感测单元。其 中，水平液面计为装置有液体的容器所构成，因此，可在水平液面计的容器内形 成保持水平的液面。光源是用以产生一光束，并将所产生的光束朝向水平液面计 的液面投射。而光感测单元则配置在由水平液面计的液面所反射的光束的行进路 径上，以便根据所侦测的光束，来输出代表待测物的倾斜角度的电子讯号。
本发明另提供一种电子式水平感测方法，适用在侦测一待测物的倾斜角度，
包括下列步骤首先提供可维持水平的一液面；再以一光束朝向前述的液面投射； 以及根据侦测所得的前述液面所反射的光束，来输出代表待测物的倾斜角度的电 子讯号。
其中，侦测所得的液面所反射的光束，是经多次的反射而得。 为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特以较佳 实施例，并配合所附图式，作详细说明如下
图1是显示根据本发明较佳实施例的水平液面计的立体图。 图2是显示根据本发明第一实施例的一种电子式水平传感器的示意图。 图3是显示根据本发明第二实施例的 一种电子式水平传感器的示意图。 图4是显示根据本发明第三实施例的一种电子式水平传感器的示意图。 图5A是显示根据本发明第四实施例的一种电子式水平传感器的示意图。 图5B是图5A的电子式水平传感器旋转九十度的使用示意图。 图6是显示根据本发明第五实施例的一种电子式水平传感器的示意图。 附图标记说明11、 66-水平液面计；111-液体；112-容器；113-气体； 115、 415、 416、 515、 615 —液面；116、 117 —侧边；20、 30、 40、 50、 60 —水平 传感器；21、 31、 41、 51、 61-光源；211、 311、 411、 511、 61:1-激光二极管； 212、 312、 412、 43、 512、 53、 55、 612、 63 -聚焦透镜；213、 313、 413、 513、 613-激光束；22、 32、 42、 52、 54、 62-光感测单元；616-底面。
具体实施例方式
请参考图l所示，其为根据本发明较佳实施例的水平液面计的立体图。图中， 此水平液面计11为装置有液体111的容器112所构成，容器112较佳地为玻璃或 塑料所制成的具有四边形剖面的密闭型容器。当然，容器112也可以因应需求而 制作成其它不同的型式。
如图所示，容器112的部分空间用来容纳液体111，其余空间则为抽真空或 充满例如是空气的气体113，或也可注入与液体111不会相互溶和的另一种液体。 因此，容器112内便形成有可维持水平的液面115。
请参考图2所示，其为根据本发明第一实施例的一种电子式水平传感器的示 意图。图中，此电子式水平传感器20除了包括如图1的水平液面计11外，也包 括分别设置在水平液面计11的两侧边的光源21与光感测单元22。
水平液面计11的液体111 4交佳地是选自甲醇、乙醇或乙醚与水的混合溶液， 以便提高水平液面计11的可使用温度范围。光源21较佳地包括用以产生激光束 213的激光二+及管211，以及设置在水平液面计11与激光二才及管211之间，用以 调整激光束213的聚焦位置的聚焦透镜212。而光感测单元22则可以使用例如是 电荷耦合装置(Charge Coupled Device,简称CCD)或互补式金氧半导体 (Complementary Metal Oxide Semiconductor,简称CMOS)等光传感器来侦测。其 中，激光束213的聚焦位置较佳地是调整在光感测单元22上。
如图所示，激光二极管211产生的激光束213,经聚焦透镜212的聚焦后， 即朝向水平液面计11的液面115投射，而水平液面计11的液面115则将激光束 213全部或部分地反射，进而照射至光感测单元22上。当此水平传感器20随着 待测物(未纟会示)的移动而倾斜时，激光束213入射水平液面计11的液面115 的角度也会变化，使得激光束213照射在光感测单元22上的位置与能量也会不同， 因此，光感测单元22便可根据所侦测的激光束213的位置与能量，来输出代表待 测物的倾斜角度的电子讯号。且当光感测单元22是使用二维的光传感器时，也可 以由输出的电子讯号，来侦测出二维方向的倾斜角度。
请参考图3所示，其为根据本发明第二实施例的一种电子式水平传感器的示 意图。图中，此电子式水平传感器30除了包括如图1的水平液面计11外，也包 括分别设置在水平液面计11的两侧边的光源31与光感测单元32。需特别注意的 是，此处的水平液面计11的安装方向是与图2所示的相反。
水平液面计11的液体111较佳地为如水银等不透光液体，光源31较佳地包 括用以产生激光束3B的激光二极管311，以及设置在水平液面计11与激光二极 管311之间，用以调整激光束313的聚焦位置的聚焦透镜312。而光感测单元32
则可以使用例如是电荷耦合装置(Charge Coupled Device,简称CCD)或互补式金 氧半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,简称CMOS)等光传感器来 侦测。其中，激光束313的聚焦位置较佳地是调整在光感测单元32上。
如图所示，激光二极管311产生的激光束313,经聚焦透镜312的聚焦后， 即朝向水平液面计ii的液面115投射，而水平液面计11的液面115则将激光束 313全部反射，进而照射至光感测单元32上。当此水平传感器30随着待测物(未 绘示)的移动而倾香斗时，激光束313入射水平液面计11的液面115的角度也会变 化，使得激光束313照射在光感测单元32上的位置与能量也会不同，因此，光感 测单元32便可根据所侦测的激光束313的位置与能量，来输出代表待测物的倾斜 角度的电子讯号。且当光感测单元32是使用二维的光传感器时，也可以由输出的 电子讯号，来侦测出二维方向的倾斜角度。
请参考图4所示，其为根据本发明第三实施例的一种电子式水平传感器的示 意图。图中，此电子式水平传感器40大致与图2的水平传感器20相同，其除了 包括如图1的水平液面计11、分别设置在水平液面计11的两侧边的光源41与光 感测单元42外，更包括设置在水平液面计11与光感测单元42间的一聚焦透镜 43,聚焦透镜43的作用为了补偿因温度变化而产生的量测误差。
图中，光源41较佳地包括用以产生激光束413的激光二极管411，以及设置 在水平液面计11与激光二极管411之间，用以准直激光束413的聚焦透镜412。 由于水平液面计11的液位会因为温度的变化，而在液面415与416间升降，因此， 当光源41产生的平行激光束413,朝向水平液面计11的液面415或416投射时， 其反射的激光束413的行进路径，将会如图中的实线或虛线所示而不同，此不同 路径的平行激光束413,将经由聚焦透镜43的聚焦，而投射在光感测单元42的 相同位置上，使得待测物的倾斜角度的量测，不会受到温度变化的影响。
请参考图5A与图5B所示，其为根据本发明第四实施例的一种电子式水平传 感器的示意图。图中，此电子式水平传感器50大致与图4的水平传感器40相同， 其除了包括如图1的水平液面计11、分别设置在水平液面计11的两侧边的光源 51、聚焦透镜53与光感测单元52外，更包括设置在水平液面计11的另一侧边的 另 一光感测单元54与聚焦透镜55,以当装置此电子式水平传感器50的待测物(未 绘示)旋转九十度时，电子式水平传感器50仍可如图5A或图5B所示地侦测待 测物的倾在牛角度。
在图5A中，激光二极管511产生的激光束513，经聚焦透镜512的准直后， 即朝向水平液面计11的液面515投射，而水平液面计11的液面515则将激光束 513全部或部分地反射，并经聚焦透镜53的聚焦后照射至光感测单元52上，以 便光感测单元52可以根据所侦测的激光束513的位置与能量，来输出代表待测物 的倾斜角度的电子讯号。
另外，在图5B中，电子式水平传感器50已因待测物顺时针旋转九十度而改 变相对位置。因此，激光二极管511产生的激光束513,经聚焦透镜512的准直 后，即朝向水平液面计11的液面515 4更射，而水平液面计11的液面515则将激 光束513全部或部分地反射，并经聚焦透镜55的聚焦后照射至光感测单元54上， 以便光感测单元54可以根据所侦测的激光束513的位置与能量，来输出代表待测 物的倾斜角度的电子讯号。
请参考图6所示，其为根据本发明第五实施例的一种电子式水平传感器的示 意图。与前述实施例不同的是，此电子式水平传感器60的水平液面计66，其设 置光源61与光感测单元62间的夹角已切除，使得在水平位置的水平液面计66 的底面616，是及其液面615相互平行。因此，当激光二极管611产生的激光束 613,经聚焦透镜612的准直而朝向水平液面计66的液面615投射时，将会在水 平液面计66的液面615与底面616间进行多次反射，才经聚焦透镜63的聚焦后 照射至光感测单元62上。此种作法的优点是，当待测物(未绘示)倾斜时，照射 至光感测单元62上的激光束613位置偏差，将会因为激光束613的多次反射而放 大，使得电子式水平传感器60的侦测灵敏度得以提升。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习 此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种更动与润饰，也属本发明 的范围。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
权利要求
1. 一种电子式水平传感器，适用于侦测一待测物的一倾斜角度，其特征在于其包括一水平液面计，为装有一液体的一容器所构成，在所述的容器内形成可维持水平的一液面；一光源，用以产生一光束，并将所述的光束朝向所述的液面投射；以及一光感测单元，配置在所述的液面所反射所述的光束的行进路径上，用以根据所侦测的光束，来输出代表所述的倾斜角度的电子讯号。
2. 根据权利要求1所述的电子式水平传感器，其特征在于所述的容器为玻 璃或塑料所制成，并具有四边形截面的密闭型容器。
3. 根据权利要求2所述的电子式水平传感器，其特征在于所述的容器的部 分空间装置有所述的液体，所述的液体是曱醇、乙醇或乙醚与水的混合溶液，未 装置所述的液体的其余空间则充满气体。
4. 根据权利要求2所述的电子式水平传感器，其特征在于所述的容器的部 分空间装置有所述的液体，所述的液体为水银，而未装置所述的液体的其余空间 则充满气体。
5. 根据权利要求1所述的电子式水平传感器，其特征在于还包括一第二光 感测单元，所述的光感测单元与所述的第二光感测单元是相对于所述的光源对称 地配置在所述的容器的两侧边上。
6. 根据权利要求1所述的电子式水平传感器，其特征在于所述的光源包括 一激光二极管，用以产生所述的光束；以及一聚焦透镜，设置在所述的水平液面计与所述的激光二极管之间，用以调整 所述的光束的聚焦位置。
7. 根据权利要求1所述的电子式水平传感器，其特征在于所述的光感测单 元包括电荷耦合装置或互补式金氧半导体的光传感器。
8. 根据权利要求1所述的电子式水平传感器，其特征在于还包括设置在所 述的水平液面计与所述的光感测单元间的一聚焦透镜，用以将所述的光束聚焦在 所述的光感测单元上；所述的光束为平行光束。
9. 一种电子式水平感测方法，适用于侦测一待测物的一倾斜角度，其特征在 于其包括提供可维持水平的一液面； 以一光束朝向所述的液面投射；以及根据侦测所得的所述的液面所反射的所述的光束，来输出代表所述的倾斜角度的电子讯号。
10.根据权利要求9所述的电子式水平感测方法，其特征在于侦测所得的所述的液面所反射的所述的光束，是经多次的反射而得。
全文摘要
本发明一种电子式水平传感器及其感测方法，是将一光源所产生的光束，以一定的角度朝向水平液面计的液面投射，并使用光感测单元，来侦测由水平液面计的液面所反射的光束，再根据所侦测的光束的位置，来输出代表水平传感器的倾斜角度的电子讯号。
文档编号G01C9/00GK101206114SQ200610170238
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者陈国禔 申请人:方础光电科技股份有限公司