專利名稱：非接觸式電子水平傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種水平傳感器，特別是一種非接觸式電子水平傳感器。
背景技術：
水平氣泡檢驗是否水平及測知待測物傾斜方向與角度的測量裝置。有些水平氣泡為圓柱形的玻璃管，有些則設計成圓球狀，如此氣泡便可向四周移動，所以在調整水平時便不需將水平儀反復作90度的轉動。
圖1是傳統水平傳感器的示意圖。請參考圖1，傳統水平傳感器100主要由一殼體102、一電解液104與多個金屬電極106構成。其中，電解液104裝置于殼體102中，而金屬電極106穿過殼體102并浸泡于電解液104中，殼體102內部包含一氣泡108，且浮于電解液104的上方。當氣泡108因為水平傳感器100傾斜而沿著殼體102表面移動時，金屬電極106之間的阻抗會因為氣泡110位移而改變，故可利用此阻值的改變，而求得水平傳感器100的水平位置。
然而，傳統水平傳感器100在操作上仍具有不便利性，其原因如下1、傳統水平傳感器100的金屬電極106在長時期使用后，其表面易受腐蝕而影響阻抗，導致水平傳感器100精度及靈敏度降低。
2、傳統水平傳感器100的電解液104必須定時更換，以維持其離子濃度。
3、傳統水平傳感器100即使定期更換金屬電極106和電解液104，因其為漸進式的消耗，故阻抗的變化或多或少亦受影響，連帶影響水平傳感器100的精度及靈敏度。
4、電解液104易受環境溫度影響，而改變電解液104的導電度，連帶影響水平傳感器100的精度及靈敏度。
發明內容
本發明的目的是提供一種非接觸式電子水平傳感器，能夠得到一精密的水平電子信號，進而提升傳感器的精度、靈敏度及檢測穩定度。
本發明的另一目的是提供一種非接觸式電子水平傳感器，避免使用具有腐蝕性的電解液，而以光線為介質，可有效延長傳感器壽命。
為達上述目的，本發明提出一種非接觸式電子水平傳感器，其具有光源、水平氣泡(Vial)、感光組件及影像處理單元。其中，水平氣泡內含有一泡泡(bubble)，且放置于可接受來自光源的光線照射的位置。感光組件位于對應水平氣泡中的泡泡且與感光組件有一固定距離的位置，以便擷取受光源照射后的水平氣泡的泡泡影像。影像處理單元電連接感光組件，并通過將泡泡影像的質量中心與一預設點進行比較，而將泡泡影像轉換成一電子水平信號。
本發明還提供了一種量測水平的方法，其包括使用一光源照射內含有一泡泡的水平氣泡、在該水平氣泡由該光源照射后，擷取該泡泡的影像、通過將該泡泡影像的質量中心與一預設點進行比較而將該泡泡影像轉換成一電子水平信號，以及根據電子水平信號調整該泡泡的傾斜度。
下面結合附圖對本實用新型進行說明。
圖1是傳統水平傳感器的示意圖；圖2A是依照本發明一實施例的非接觸式電子水平傳感器的水平氣泡傾斜示意圖；圖2B是圖2A的非接觸式電子水平傳感器，其位于傾斜位置的氣泡影像經由影像處理單元處理后的示意圖；圖3是顯示將氣泡影像轉換成一電子水平信號過程的流程圖；圖4A是圖2A的非接觸式電子水平傳感器的水平氣泡在理想水平狀態的示意圖；圖4B是圖4A的非接觸式電子水平傳感器，其位于理想水平位置的氣泡影像經由影像處理單元處理后的示意圖；圖5是依照本發明一實施例的圖2A及四A的非接觸式電子水平傳感器連接一電路裝置的示意圖；圖6是根據本發明另一實施例的非接觸式電子水平傳感器；
圖7是顯示應用本發明的非接觸式電子水平傳感器安裝于一支撐機構上的組合圖，其中系使用兩個方塊表示圖2A的非接觸式電子水平傳感器；圖8是為圖7的支撐機構的分解圖；圖9是圖8的電路裝置的細部圖；以及圖10是依照本發明一較佳實施例的圖2A及四A的非接觸式電子水平傳感器連接一待測物的示意圖。
附圖標記說明100已知水平傳感器；102殼體；104電解液；106金屬電極；108氣泡；200非接觸式電子水平傳感器；202水平儀；204感光組件；206影像處理單元；208光源；210透明管；212液體；214氣泡；216氣泡中心位置；218透明管中心位置；220氣泡影像；302電路裝置；304電子水平信號；306平臺；308水平氣泡固定座；310待測物。
具本實施方式請參照圖2A與圖2B，根據本發明一實施例的非接觸式電子水平傳感器200具有一水平氣泡202、一感光組件204及一影像處理單元206。水平氣泡可使用如透明球體或透明管210的一透明外殼，其內裝置有一第一流體與一第二流體，第一流體的密度不同于第二流體的密度，使第二流體可形成漂浮于第一流體上的泡泡(bubble)，且當水平氣泡傾斜時，泡泡會隨著水平氣泡的傾斜而移動。在圖2A所示的一較佳實施例中，第一流體為一液體212，而第二流體為一氣體，因此，圖2A中的泡泡為一氣泡214。此后，為了簡化說明，將稱第一流體為液體212，而稱泡泡為氣泡214。氣泡214可接受一光源208的照射，而光源208可以為冷光板(Electroluminescent Board，簡稱EL)、發光二極管(Light Emitting Diode，簡稱LED)、燈泡、日光燈、陰極射線管或其類似裝置。感光組件204位于對應水平氣泡202且與水平氣泡202有一定距離Z的位置，此感光組件204例如是電荷耦合器件(Charge-coupled device)、互補金屬氧化物半導體(CMOS)或其類似裝置。此外，感光組件204的型式例如是可以擷取氣泡214的一維影像的線性感光組件(linear photo sensor)，或是可以擷取氣泡214的二維影像的區域型感光組件。影像處理單元206電連接感光組件204，且可以是如個人計算機、微控制器、數字電路、特殊應用集成電路或其類似裝置。
液體212配置于透明管210內，氣泡214在液體212的上方浮動，且透明管210通常是由玻璃或塑料制成。當水平氣泡202傾斜時，氣泡214即會往透明管210的高處移動，另一方面，當水平氣泡202處于理想的水平狀態時，氣泡214的質量中心將位于透明管210的中心線的特定位置上，此特定位置即可作為決定是否傾斜的預設點位置。當透明管210受光源208照射時，感光組件204即可擷取受光源208照射后的氣泡影像220，影像處理單元206可通過將氣泡214影像的質量中心與預設點做比較，以獲得氣泡影像220的質量中心與預設點(亦即，透明管210的中央的特定位置)間的相對位移W，而將氣泡214的影像220轉換為一電子水平信號，以判定水平氣泡是否位于水平狀態。
請參照圖3所示的將氣泡影像轉換成一電子水平信號的流程，如圖3所示，其轉換流程從步驟206a開始。在步驟206a中，感光組件204擷取氣泡214的影像，接著前進到步驟206b。在步驟206b中，過濾所擷取的影像以確認氣泡214的實際范圍，之后進入步驟206c。在步驟206c中，影像處理單元206通過將氣泡214的影像220的中心與一預設點作比較以獲得氣泡214的相對位移W，接著進入步驟206d；其中，氣泡214的影像220的中心(亦即，氣泡214的質量中心)可使用下列公式計算x=Σi=1nΣj=1mjB[i,j]A,]]>y=Σi=1nΣj=1miB[i,j]A]]>其中，x、y坐標分別為所擷取影像上的任何像素的水平與垂直位置，x坐標為沿著一畫面的水平軸，從影像最左邊的像素(像素0)起算的指定像素號碼；y坐標則為沿著一畫面的垂直軸，從影像最上面的像素(像素0)起算的指定像素號碼，使得x及y坐標可定位出影像上的任何特定像素位置；m為沿著氣泡影像220的水平軸的總像素數量；n為沿著氣泡影像220的垂直軸的總像素數量；
B[i，j]為像素(i，j)的權重，當像素為黑色時，被指定為1，而當像素為白色時，被指定為0；A為氣泡影像220的總像素量。
在步驟206d中，影像處理單元206根據位移W而發出一電子水平信號。
圖4A及圖4B為圖2A及圖2B的非接觸式電子水平傳感器200位于理想水平狀態時的示意圖。在氣泡影像220由影像處理單元206處理后，氣泡影像220的中心位置與預設點(亦即，透明管210的中心的特定位置)間的相對位移為零。
圖5為非接觸式電子水平傳感器200連接電路裝置302的實施例。電路裝置302可以是具有控制電路的馬達，而影像處理單元206則用來輸出一電子水平信號304至該電路裝置302，以作為控制電路裝置302操作調整水平氣泡202傾斜度的回授信號。也就是說，當氣泡214受光源208照射后，感光組件204會擷取氣泡影像220，并于影像處理單元206處理氣泡影像220后，輸出一電子水平信號304，此電子水平信號304作為外部連接的電路裝置302的回授信號。
請繼續參照圖5，水平氣泡202放置于一底座308上，而底座308則置于一平臺306上。當電路裝置302接收電子水平信號304后，即可促動電路裝置302的馬達以調整平臺306的傾斜度，進而調整氣泡214的傾斜度，使水平氣泡202定位于水平位置。
請參照圖6所示的根據本發明另一實施例的非接觸式電子水平傳感器。圖6的非接觸式電子水平傳感器由類似于圖5的非接觸式電子水平傳感器的組件所組成，并使用相同的組件符號，其相同部分將不再詳加解釋。兩者的差異處在于拉近感光組件204與水平氣泡202間的固定距離，以使圖6的感光組件204直接放置在對應于氣泡214位置的水平氣泡202的表面上，此時，圖6的感光組件204的寬度L，至少應為氣泡214直徑的兩倍，以擷取不同傾斜度的氣泡214的完整影像。
請參照圖7與圖8所示的根據本發明一實施例的非接觸式電子水平傳感器200安裝于一支撐機構上的應用組合圖及其支撐機構的分解圖，其中使用兩個方塊301來代表圖2A的非接觸式電子水平傳感器200。如圖7所示，本發明的非接觸式電子水平傳感器200安裝于一底座308上，底座308則耦接至一機架305，機架305具有鄰接底座308的一萬向軸承單元3051，萬向軸承單元3051則于電路裝置302的控制電路3021接收影像處理單元206的電子水平信號308時，由電路裝置302來驅動。因此，在圖7中所示的安裝于支撐機構上的非接觸式電子水平傳感器200使用一串連續的電子水平信號304，來作為電路裝置302的回授控制信號，以驅動萬向軸承單元3051使底座308傾斜，進而調整水平氣泡202中的氣泡214的水平度。
請參照圖8與圖9，非接觸式電子水平傳感器200安裝于包含底座308、機架305及電路裝置302的一支撐機構上。其中，底座308上裝置有代表水平傳感器200的兩方塊301，而機架305具有樞接底座308的一萬向軸承單元3051，其上連接著多個驅動桿3052，各驅動桿3052耦合至對應于驅動桿3052的電路裝置302的馬達單元3022的驅動塊3022c。因此，當電路裝置302的控制電路3021接收來自非接觸式電子水平傳感器200的影像處理單元206的電子水平信號304時，電路裝置302的馬達3022a還驅動耦合馬達3022a的傳動輪3022d，以帶動耦合至螺桿3022b的另一傳動輪3022e，使得安裝在螺桿3022b上的驅動塊3022c可以沿著螺桿3022b而移動，進而帶動與其耦合的驅動桿3052，以利用萬向軸承單元3051來調整底座308的水平度。
圖10是非接觸式電子水平傳感器200連接一待測物的示意圖。在圖10中，非接觸式電子水平傳感器200放置于一待測物310上，以檢測待測物310的水平度，而待測物310例如為角度儀、測量裝置，或量度儀器等等需要高精度水平的場所。
在本發明的各實施例中，使用感光組件204來擷取氣泡214的影像，并使用影像處理單元206來處理氣泡影像220，以輸出一高精度的電子水平信號304。然而，上述僅為舉例說明，并非用以限定本發明的氣泡影像220擷取方式及影像處理單元206的種類，任何本領域的熟練技術人員可推知本發明的感光組件204、影像處理單元206亦可以為其它型態。
綜合以上所述，本發明的非接觸式電子水平傳感器200至少具有下列優點1、本發明的非接觸式電子水平傳感器200，使用感光組件204擷取氣泡影像220，不論氣泡214處于靜止或流動狀態，皆可正確感應氣泡214的位置，進而由影像處理單元206輸出一精密的電子水平信號304，作為判斷水平度的依據。
2、本發明的非接觸式電子水平傳感器200，使用影像處理單元206處理氣泡影像220，并可正確計算氣泡中心位置216與透明管中心位置218的位移，便于判斷水平氣泡202或待測物310傾斜的狀況。
3、本發明的非接觸式電子水平傳感器200的氣泡影像220經影像處理單元206處理后，可以輸出一精密的電子水平信號304，以作為外接電路裝置302的回授信號，進而調整水平氣泡202的水平度。
4、本發明的非接觸式電子水平傳感器200，因為使用非接觸性的量測方法，所以不會因為環境溫度變化而改變量測精度。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，不能以此限制本發明的范圍。因此凡依本發明權利要求所做的均等變化及修飾，仍將不失本發明的要義所在，亦不脫離本發明的精神和范圍的，都應視為本發明的進一步實施。
權利要求
1.一種非接觸式電子水平傳感器，包括一光源；一水平氣泡，內含有一泡泡，并放置于可接受來自該光源的光線照射的位置；一感光組件，位于對應該水平氣泡中的該泡泡，且與該水平氣泡有一固定距離的位置，以便擷取該水平氣泡受該光源照射后的該泡泡的影像；以及一影像處理單元，電連接該感光組件，并藉由將該泡泡的影像的質量中心與一預設點做比較而將該泡泡的影像轉換成一電子水平信號。
2.如權利要求1所述的非接觸式電子水平傳感器，其中該水平氣泡具有一透明殼體、一氣體及一液體，該液體配置于該透明殼體內，且該氣體漂浮于該液體的上方以形成該泡泡，使得水平氣泡傾斜時，泡泡會移動。
3.如權利要求2所述的非接觸式電子水平傳感器，其中該預設點為該透明殼體的中心位置。
4.如權利要求1所述的非接觸式電子水平傳感器，其中該影像處理單元在將該泡泡的質量中心與該預設點進行比較前，先過濾該泡泡的影像以確認該泡泡的范圍，并參考確認的范圍來計算該泡泡的質量中心，再根據比較獲得的該泡泡的位移來發出該電子水平信號。
5.如權利要求1所述的非接觸式電子水平傳感器，其中該光源從包括冷光板、發光二極管、燈泡、日光燈以及陰極射線管的群組中選擇。
6.如權利要求1所述的非接觸式電子水平傳感器，其中該感光組件安裝于對應該泡泡的位置處，并與該水平氣泡的表面接觸。
7.如權利要求6所述的非接觸式電子水平傳感器，其中該感光組件的寬度至少為泡泡直徑的兩倍。
8.如權利要求1所述的非接觸式電子水平傳感器，其中該感光組件從包括電荷耦合組件以及互補金屬氧化物半導體的群組中選擇。
9.如權利要求1所述的非接觸式電子水平傳感器，其中該影像處理單元從包括個人計算機、微控制器、數字電路以及特殊應用集成電路的群組中選擇。
10.如權利要求1所述的非接觸式電子水平傳感器，還包括一底座，用以裝置水平氣泡、光源以及感光組件；一機架，樞接耦合至底座，并具有一驅動桿，以及一電路裝置，用以接收電子水平信號以驅動該驅動桿，進而使該底座相應地傾斜以調整該底座的傾斜度。
11.一種量測水平的方法，包括下列步驟使用一光源去照射內含有泡泡的一水平氣泡；擷取該水平氣泡受該光源照射后的該泡泡的影像；以及通過將泡泡的影像的質量中心與一預設點進行比較而將該泡泡的影像轉換成一電子水平信號。
12.如權利要求11所述的方法，其中轉換步驟包括下列步驟過濾泡泡的影像以確認泡泡的范圍；計算泡泡的質量中心；將泡泡的質量中心與預設點進行比較以決定泡泡的位移；以及根據該位移發出一電子水平信號。
13.如權利要求11所述的方法，還包括根據該電子水平信號調整水平氣泡的傾斜度。
14.如權利要求11所述的方法，還包括使用電子水平信號以作為調整該泡泡傾斜度的電路裝置的回授信號。
15.一種非接觸式電子水平傳感器，包括一水平氣泡，內含有一泡泡；一感光組件，位于對應該水平氣泡中的該泡泡且與該水平氣泡有一固定距離的位置，以便擷取該泡泡的影像；以及一影像處理單元，電連接感光組件，并通過將泡泡影像的質量中心與一預設點進行比較而將泡泡影像轉換成一電子水平信號。
全文摘要
本發明公開了一種非接觸式電子水平傳感器，具有光源、水平氣泡(Vial)、感光組件及影像處理單元。其中，水平氣泡內含有一氣泡，且放置于可接受來自光源的光線照射的位置，感光組件位于對應水平氣泡中的氣泡且與水平氣泡有一固定距離的位置，以便擷取受該光源照射后的水平氣泡的氣泡影像，影像處理單元與感光組件電連接，并通過將該氣泡影像的質量中心與一預設點進行比較，而將該氣泡影像轉換成一電子水平信號。
文檔編號G01C9/24GK1667361SQ20051000857
公開日2005年9月14日 申請日期2005年2月22日 優先權日2004年3月8日
發明者黃肇基, 鄭智湧, 蘇坤和, 蕭慶宏, 張世昌 申請人:方礎光電科技股份有限公司
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