带有光电水准器的倾斜度传感器.pdf

本发明涉及一种带有水准器的倾斜度传感器，所述水准器具有处于玻璃盖板下方壳体内的液体和气泡。本发明的目的是提供一种倾斜度传感器，该传感器能够用来高精度地确定倾斜的方向和度数，而且适合于自动校准设有所述倾斜度传感器的设备。本发明的目的是由以下结构实现的：在玻璃盖板(1.3)的上方设有至少两个光接收器(2.4)，借助于所述的至少两个光接收器(2.4)可以检测从光源(2.3)发出并在气泡(4)对中的情况下从与气泡(4)接触的玻璃盖板(1.3)表面散射的光(L)。当气泡(4)没对中时，借助所说的光接收器(2.4)可以检测不同的光量，光源(2.3)和光接收器(2.4)都设置在芯片基底(2.1)上。

1.  带有水准器(1)的倾斜度传感器，该水准器在玻璃盖板(1.3)下部的壳体(1.1)内具有液体(3)和气泡(4)，其中玻璃盖板(1.3)的上方设有光源(2.3)，其特征在于，玻璃盖板(1.3)的上方设置至少两个光接收器(2.4)，借助于所述至少两个光接收器(2.4)能够检测从光源(2.3)发出并当气泡(4)对中时从与气泡(4)接触的玻璃盖板(1.3)表面散射的光(L)，其中当气泡(4)未对中时，借助于所述光接收器(2.4)能够检测不同的光量，而且光源(2.3)和光接收器(2.4)都设置在芯片基底(2.1)上。

2.  根据权利要求1所述的倾斜度传感器，其特征在于，围绕光源(2.3)设置至少四个光接收器(2.4.1、2.4.2、2.4.3、2.4.4)，借助于这至少四个光接收器(2.4.1、2.4.2、2.4.3、2.4.4)能够检测从光源(2.3)发出并当气泡(4)对中时在与气泡(4)接触的玻璃盖板(1.3)表面上反射和/或散射的光(L)。

3.  根据权利要求1或2所述的倾斜度传感器，其特征在于，当气泡(4)对中时，光源(2.3)位于气泡(4)上方的中心。

4.  根据上述权利要求之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，光源(2.3)和光接收器(2.4)都设置在一个共用的芯片基底(2.1)上。

5.  根据上述权利要求之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，芯片基底(2.1)的功能性表面设置在玻璃盖板(1.3)上，或者设置在与玻璃盖板(1.3)构成一个光学单元的玻璃基板上。

6.  根据上述权利要求之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，在一个平行于玻璃盖板(1.3)的平面内，分别沿着经过光源(2.3)和相关光接收器(2.4.1、2.4.2、2.4.3、2.4.4、2.4.5、2.4.6、2.4.7、2.4.8)的虚拟直线将光接收器(2.4)划分成段，其中借助于这些彼此独立的段能够检测被反射和/或散射的光。

7.  根据上述权利要求之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，壳体(1.1)设置在吸收光的上表面(1.2)内侧。

8.  根据上述权利要求之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，玻璃盖板(1.3)上对着液体空间的一侧具有微糙性。

9.  根据上述权利要求之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，光源(2.3)发出单色光，并且采用了吸收该波长的光的水准器液体。

10.  根据权利要求9所述的倾斜度传感器，其特征在于，提供含有染色剂的液体，该液体吸收光源(2.3)波长范围的光。

11.  根据权利要求1-10之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，为了减小玻璃盖板(1.3)和液体(3)之间的折射率差，玻璃盖板(1.3)使用了与液体(3)的折射率相近的材料。

12.  根据权利要求1-10之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，为了减小玻璃盖板(1.3)和液体(3)之间的折射率差，通过混合按体积比例的不同液体来适配于液体(3)的折射率。

带有光电水准器的倾斜度传感器
技术领域
本发明涉及一种带有水准器的倾斜度传感器，其在玻璃盖板下方的壳体内具有液体和气泡，其中玻璃板的上方设有光源。
背景技术
为了对例如测量仪器或结构构件等设备进行水平或竖直校准，通常都要使用水准器。这些水准器一般包括进行一维校准的管式水准器和进行两维校准的圆水准器。将水准器与设备相连接，使得气泡在设备校准的状态下位于水准器确定的位置上。借助于水准器可以低成本地得到或恢复校准状态。但这与设备是否处于水平或竖直校准状态不是必然相关。原则上，可以通过设备上水准器的相应偏倾结构来预先设定校准状态的任意倾角。
气泡处于确定的位置上，该位置在本发明的意义上为对中位置。
为了根据水准器的偏倾角得到稳定的和可再现的气泡位置，根据现有技术，需在玻璃盖板和液体的界面处形成凹面形状。水准器的灵敏度首先取决于玻璃盖板的曲率半径。
根据现有技术，已经有一些公知装置，借助于这些装置可以电子采集水准器的数据。因此，在通常情况下，需要考虑光电原理。大多数公知的装置是以照射水准器为基础的，其中光源和光接收器设置在水准器的相对两侧上，特别是上侧和下侧。
例如，DE3938848A1描述了一种倾斜度传感器，其包含传统的管式水准器，水准器的壳体由透光材料制成而且内部空间填充液体，液体包围着气泡。管式水准器的上方设有光源，光源可照亮管式水准器的总长度。从光源射出的光穿过透明壳体并同样穿过透光的液体以及气泡。在与光源相对的一侧，水准器产生不均匀的光分布，该光分布由设在水准器下方的光检测器进行分析。这种装置开销大并占据较大空间，而且在一般情况下需要特定结构的水准器。其缺点是，由于在光学界面上的反射和散射造成气泡和液体的透射差很小以及光斑轮廓模糊，而使得可供分析的光斑亮度差很小。因此，光斑位置的检测具有很大的不确定性并且只能对可用光流信号明确表示的小气泡偏移进行检测。
DE3634244A1公开了一种带有光发射器和光检测器的光电式倾斜度传感器，光发射器和光检测器设置在光反射介质上方，其中，通过光在光反射液体、最好是水银面上的反射来检测倾斜度。液体封装在封闭罩中，并且液体不是完全填满封闭罩。用上述装置无法检测气泡的位置。
此外，JP10227635A公开了一种倾斜度传感器，其中在水准器的同一侧，即在玻璃板的上方设置光源和光接收器。该倾斜度传感器利用了全反射原理。当水准器水平校准时，气泡便在发明的意义上对中，在光密的玻璃盖板和光疏的气泡之间的界面上，从光源照射到气泡上的光朝着光接收器的方向形成全反射。借助于该光接收器，可以检测在对中情况下的全反射光。如果气泡没有对中，则表明没有发生全反射，因此没有光线射入到光接收器。所以，可以根据检测到的光来确定气泡是否对中。这样可以提供有关设备水平、竖直或其它预定校准的双重信息。这种倾斜度传感器存在的缺点是无法得到倾斜的方向和度数。带有这种倾斜度传感器的设备无法实现自动校准。此外，还有一个缺点，全反射部分只在光发射器和检测器之间的距离足够大的情况下才有效，这导致传感器很大且很昂贵。根据水准器的尺寸和希望控制的范围(倾角)，在气泡接触面上采用全反射是无效的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开始时提到的倾斜度传感器，其可以高精度地确定出倾斜的方向和度数，而且适合于装有这种倾斜度传感器的设备进行自动校准。
按照本发明，所述目的可由具有权利要求1所述特征的装置来实现。
优选的实施方式由从属权利要求给出。本申请的主题还涉及特征组合，这些特征组合由权利要求给出的单个特征彼此任意组合而成。
本发明所述装置的工作原理基于以下事实，气泡移位时，由于在气泡-玻璃盖板一侧的光学平滑或微糙的接触面上产生菲涅尔反射和/或形成散射光，使得光分布发生变化。
一个有效提高由气泡-玻璃接触面衰减的光分量的有益措施是对上表面进行类似于毛玻璃的微糙表面处理。根据本发明要求的微糙上表面，其有效粗糙度要大于1μm而且可通过普通的方法，例如形成细孔、砂眼或腐蚀等来实现。除了气泡-玻璃接触面之外，玻璃-液体的折射率差一般非常小，以至于使“毛玻璃效应”被消除，并且没有明显的散射光分量产生。
与本发明所述装置相关的玻璃盖板下侧的微糙度具有以下明显的优点：
·可以明显减小侧向的传感器尺寸和与之相关的生产成本；
·在光源的最高亮度区内形成与全反射不同的散射光。由此可得到非常好的信噪比和很高的检测灵敏度。
·与JP10227635A的全反射方法相比，明显减小了温度变化对倾斜度测量的可再现性带来的不良影响，这是因为由温度变化引起的气泡-玻璃盖板光发射接触面的相对变化比从环形或条形区域向所述接触面的外周发出的全反射光的相对变化小得多。
·从光源发出的、穿过玻璃-气泡接触面向前传输的光分量以与公知的球形光度计类似的工作原理在气泡的球形内表面上被反射，并有助于附带地在微糙的气泡-玻璃界面上形成散射。
一个优选的实施方式为，为了抑制来自水准器壁的干扰散射光，可以在壳体的内侧设置吸收光的上表面。
为了能在采用单色光的情况下使用，所用的可吸收工作波长的液体可以是一种高效溶液。如果液体本身不能够或不足以吸收光，则可采用适当的高吸收性染料。由此展现的真正优点在于，水准器中的有效吸收长度将通过前后运动而加倍。
由于本发明的水准器玻璃和液体之间的折射率差总是相对产生的，所以水准器玻璃和液体的折射率可达到尽可能高的一致。这种可能性例如可以通过选择原材料(玻璃、PMMA、聚碳酸酯、.....)，以及通过将有合适折射率的液体按体积比例进行混合而实现。特别是，通过液体混合可以实现接近100％的一致性。优选将混合物与液体的染色相结合。
附图说明
下面将结合实施例对本发明进行详细说明。
在相关附图中示出：
图1是电子水准器的剖面图；
图2是电子水准器中光学机构的示意图；
图3表示散射效果；和
图4及图5是芯片基底的俯视图。
具体实施方式
图1表示总体装置的示意图。该装置包括水准器1和测量模块2。水准器1具有壳体1.1，壳体中有液体3和气泡4。壳体1.1内设有吸收光的上表面1.2。液体3在玻璃-液体界面5处与玻璃盖板1.3接触。在测量模块2中，将光学元件安装在芯片基底2.1上。由此，将最好是由LED构成的光源2.3设在凹陷部位2.2中。将光接收器2.4以离开光源大约相等的距离设置在芯片基底2.1的上表面上。
图2表示的是影响电子传感器工作的光学效果。其示出了不希望的寄生效果和可用的效果之间的区别。
不希望的效果有
E1：在光源(LED)和光接收器(pin二极管)之间的直接光学串扰。
E2：在水准器容器的底部和壁上以及玻璃盖板周缘上的反射或漫反射。
E3：在折射率不相等的情况下，在玻璃盖板-液体界面上的菲涅尔反射或形成散射光。
可用的效果有
E4：在光学平面上的菲涅尔反射和/或在微糙的玻璃-气泡界面上形成散射光。
E5：在气泡的内侧面上的菲涅尔反射。
E6：当超过规定的临界角时，在玻璃-气泡界面上的全反射。
E7：在气泡的弯月面上的全反射。
就本发明而言，效果E4和E5实际上可用于光学平滑界面上的菲涅尔反射和/或微糙界面上形成的散射光。有效界面是玻璃盖板1.3下侧的一个区域，在该区域内气泡4与玻璃盖板1.3接触。
图3表示在玻璃盖板1.3下侧出现的散射效果。从光源2.3射出的光射线在玻璃盖板1.3的下侧被反射。因此，光源优选为LED。以小于全反射临界角的角度入射的光射线被漫反射并在测量模块2上产生可以用高精度分析的光斑。这种结构的优点是，当被全反射的光出现在必须设置在更外侧的光接收器2.4.3和2.4.4上时，可以设置在更靠近光源2.3处的接收器2.4.1和2.4.2能够获取漫反射的光。因此，具有全反射分析的配置相对于具有散射光分析的配置需要更大的芯片基底2.1的尺寸，并导致了较高的成本。由于散射光形成发生在光源2.3的最高亮度区域内，所以得到了非常好的信噪比并由此实现了高灵敏度。
测量模块2包括芯片基底2.1。图4示出了从芯片基底的功能性上表面看的俯视图。芯片基底2.1设有凹陷部位2.2，该凹陷部位中设有LED形式的光源2.3和四个光接收器2.4.1、2.4.2、2.4.3、2.4.4，这些光接收器以圆环段形光电检测器的形式基本上沿着一个平面集成。每个圆环段覆盖两维空间中的四分之一象限。凹陷部位2.2防止从光源2.3到光接收器2.4的直接光串扰。用于连接光源2.3的外部连接端2.5和光接收器2.4的电导线被设置在芯片基底2.1上，并且通过连接端组2.5彼此相连。为了简明起见，这里没有示出光源2.3的连接端。
芯片基底2.1可以直接设置在玻璃盖板1.3上或者与一个玻璃基板接合，所述玻璃基板位于玻璃盖板1.3和芯片基底2.1之间并与玻璃盖板1.3形成一个光学单元。
在图5示出的实施例中，光接收器2.4在径向上再一次被划分，使该装置包括总共8个独立的段2.4.1至2.4.8。由此可获得进一步的改进方案。
附图标记列表
1 水准器
1.1 壳体
1.2 吸收光的上表面
1.3 玻璃盖板
1.3.1 微糙表面
2 测量模块
2.1 芯片基底
2.2 凹陷部位
2.3 光源
2.4 光接收器
2.4.1 第一光接收器
2.4.2 第二光接收器
2.4.3 第三光接收器
2.4.4 第四光接收器
2.5 连接端子组
3 液体
4 气泡
5 玻璃-液体界面
E1 光学串扰
E2 在内壁上的反射和漫反射
E3 当折射率不同时，在破璃-液体界面上的菲涅尔反射或形成散射
E4 在玻璃-空气界面上的菲涅尔反射或形成散射
E5 在气泡内侧的菲涅尔反射
E6 在玻璃-空气界面上的全反射
E7 在气泡弯月面上的全反射
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.带有水准器(1)的倾斜度传感器，该水准器的玻璃盖板(1.3)下部的壳体(1.1)内具有液体(3)和气泡(4)，其中玻璃盖板(1.3)的上方设有光源(2.3)，其特征在于，玻璃盖板(1.3)的上方设置至少两个光接收器(2.4)，借助于所述至少两个光接收器(2.4)能够检测从光源(2.3)发出并当气泡(4)对中时从与气泡(4)接触的玻璃盖板(1.3)表面散射的光(L)，其中当气泡(4)未对中时，借助于所述光接收器(2.4)能够检测不同的光量，而且光源(2.3)和光接收器(2.4)都设置在一个共用的芯片基底(2.1)上，其中芯片基底(2.1)的功能性表面设置在玻璃盖板(1.3)上，或者设置在与玻璃盖板(1.3)构成一个光学单元的玻璃基板上，并且玻璃盖板(1.3)上对着液体空间的一侧具有微糙性。
2.根据权利要求1所述的倾斜度传感器，其特征在于，围绕光源(2.3)设置至少四个光接收器(2.4.1、2.4.2、2.4.3、2.4.4)，借助于这至少四个光接收器(2.4.1、2.4.2、2.4.3、2.4.4)能够检则从光源(2.3)发出并当气泡(4)对中时在与气泡(4)接触的玻璃盖板(1.3)表面上散射的光(L)。
3.根据权利要求1或2所述的倾斜度传感器，其特征在于，当气泡(4)对中时，光源(2.3)位于气泡(4)上方的中心。
4.根据上述权利要求之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，在一个平行于玻璃盖板(1.3)的平面内，分别沿着经过光源(2.3)和相关光接收器(2.4.1、2.4.2、2.4.3、2.4.4、2.4.5、2.4.6、2.4.7、2.4.8)的虚拟直线将光接收器(2.4)划分成段，其中借助于这些彼此独立的段能够检测被散射光。
5.根据上述权利要求之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，壳体(1.1)设置在吸收光的上表面(1.2)内侧。
6.根据上述权利要求之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，光源(2.3)发出单色光，并且采用了吸收该波长的光的水准器液体。
7.根据权利要求6所述的倾斜度传感器，其特征在于，提供含有染色剂的液体，该液体吸收光源(2.3)波长范围的光。
8.根据上述权利要求之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，为了减小玻璃盖板(1.3)和液体(3)之间的折射率差，玻璃盖板(1.3)使用了与液体(3)折射率相近的材料。
9.根据上述权利要求之一所述的倾斜度传感器，其特征在于，为了减小玻璃盖板(1.3)和液体(3)之间的折射率差，通过混合按体积比例的不同液体来适配于液体(3)的折射率。