專利名稱：傾斜檢測方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測傾斜的方法及設(shè)備，特別是用于檢測例如全
站儀(total station)的測地儀的傾斜的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
某些傾斜檢測器4吏用容器中的流體通過測量重力矢量來確定相對(duì)于真 實(shí)垂直的偏移。來自光源的光束在流體的表面上祐反射。所述^L^射的光 束入射到檢測器上。入射在所述檢測器上的位置隨著容器傾斜而改變。
利用CCD線作為傳感器，可以提供反射光束撞擊到檢測器上的位置 作為輸出信號(hào)。如美國專利6088090中所述，利用在人字形圖案內(nèi)彼此正 交的兩個(gè)這種檢測器，可以檢測沿兩個(gè)正交方向的傾斜。
WO 99/57513示出了一種具有兩個(gè)光源和兩條CCD線并帶有單個(gè)大 的平凸球透鏡的雙軸傾斜檢測器。對(duì)于許多應(yīng)用來說，該結(jié)構(gòu)的直徑和高 度太大。
DE 19610941A1示出了一種利用面?zhèn)鞲衅鞯膬A斜檢測器。
美國專利4159422示出了一種利用發(fā)光二極管和光電池的位移傳感
器，所述光電池與從一池水銀反射的輻射成比例地產(chǎn)生輸出信號(hào)。
需要對(duì)傾斜傳感器進(jìn)行改進(jìn)，使其提供更小的整體尺寸、低的整體高
度、低成本、與現(xiàn)代傳感器和數(shù)據(jù)接口技術(shù)的兼容性、用于在工作范圍、
精度和尺寸方面具有不同要求的各種應(yīng)用中的可量測性和/或半自動(dòng)化的生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
基于本發(fā)明的實(shí)施例，用于檢測傾斜的設(shè)備和方法，其使用點(diǎn)光源， 光從所述點(diǎn)光源通過透鏡朝向容納在容器內(nèi)的流體的反射表面發(fā)射。從所
i^面反射的光通過所述透鏡在檢測器元件的二維陣列上形成所述點(diǎn)光源 的散焦圖像。從所述陣列獲取的數(shù)據(jù)表示入射在每個(gè)檢測器元件上的光的 強(qiáng)度。根據(jù)所述數(shù)據(jù)確定表示所述容器的傾斜的重心。
基于本發(fā)明的設(shè)備的實(shí)施例可以包括容器，其包含具有反射表面的 流體；透鏡，位于所述反射表面和所述透鏡的焦平面之間的光路上；點(diǎn)光 源，通過所述透鏡朝向所述流體表面發(fā)光；檢測器元件的二維陣列，其定 位為使得從所述反射表面反射的光通過所iiit:鏡到達(dá)所述檢測器元件上， 每個(gè)檢測器元件產(chǎn)生與入射光的幅度相對(duì)應(yīng)的值；以及處理器，其響應(yīng)于 所述檢測器元件產(chǎn)生的值計(jì)算形成在所述檢測器元件上的所述圖像的重 心，其中所述計(jì)算的重心依賴于所述容器的傾斜。
基于本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備可以包括一個(gè)或更多個(gè)附加特征。所述光 可以在所述檢測器元件上形成所述點(diǎn)光源的圖像。所述光源和所述陣列中 的一個(gè)或兩者可以基本位于所iiit:鏡的所述焦平面之外，使得形成在所述 檢測器元件上的所述圖像是所述點(diǎn)光源的散焦圖像。所述處理器可以以子 像素精度計(jì)算重心。計(jì)算的重心可以依賴于所i^器繞兩個(gè)正交軸的傾斜。 所述透鏡可以具有與所述流體接觸的非平面表面.可以將一棱鏡定位在所 述點(diǎn)光源和所述反射表面之間的光路上并用于將來自所述點(diǎn)光源的光朝向 所述流體表面導(dǎo)引。所述棱鏡可以用于將來自所述反射表面的光朝向所述 二維陣列導(dǎo)引。
所述處理器可以響應(yīng)于所述檢測器元件產(chǎn)生的超過一閾值的值用于計(jì) 算形成在所述檢測器元件上的所述圖像的重心。所述設(shè)備還可以包含依賴 于環(huán)境溫度而產(chǎn)生信號(hào)的傳感器，其中在計(jì)算形成在所述檢測器元件上的 所述圖《象的所述重心時(shí)，所述處理器響應(yīng)于所述信號(hào)來進(jìn)行溫度校正。所 述處理器可以響應(yīng)于所述檢測器元件在預(yù)定時(shí)間間隔上產(chǎn)生的所述值計(jì)算 在所述預(yù)定時(shí)間間隔上取平均的形成在所述檢測器元件上的所述圖像的重 心。所述處理器可以響應(yīng)于所述預(yù)定時(shí)間間隔的用戶選擇。所述處理器可
以控制所述點(diǎn)光源的光發(fā)射。所述檢測器元件可以包括CMOS光電二極 管。
基于本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)備還可以包括底座、安裝在所述底座上用于繞 支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)的照準(zhǔn)儀、以及可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述照準(zhǔn)儀上用于繞仰角軸轉(zhuǎn)
動(dòng)的望遠(yuǎn)鏡單元。所述i殳備還可以包括用于檢測所述照準(zhǔn)儀的轉(zhuǎn)動(dòng)取向的 方位角傳感器和用于檢測所述望遠(yuǎn)鏡單元的轉(zhuǎn)動(dòng)取向的仰角傳感器。所述 處理器還可以響應(yīng)于所述方位角傳感器和所述仰角傳感器產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)控制信 號(hào)，并響應(yīng)于所述轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)用于使所述照準(zhǔn)儀和所述望遠(yuǎn)鏡 單元取向。
所述處理器可以利用所述計(jì)算的重心確定下列至少一項(xiàng)(i)對(duì)所述 設(shè)備的軸的鉛垂偏移進(jìn)行校正，以及(ii)對(duì)準(zhǔn)直誤差進(jìn)行校正。所述處理 器可以利用所述計(jì)算的重心確定下列至少一項(xiàng)(i)瞄準(zhǔn)補(bǔ)償，(ii)垂 直線延伸，以及(iii)水平線延伸。所述望遠(yuǎn)鏡單元可以包含用于測量距 遠(yuǎn)離所述設(shè)備的目標(biāo)的距離的距離測量模塊.所述望遠(yuǎn)鏡單元可以包含望 遠(yuǎn)鏡和用于對(duì)所述望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行光學(xué)聚焦的伺服聚焦模塊。所述望遠(yuǎn)鏡單元 可以包含用于檢測所述望遠(yuǎn)鏡單元相對(duì)于遠(yuǎn)處目標(biāo)的取向的跟蹤器，其中 所述處理器響應(yīng)于所述跟蹤器產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號(hào)，以使所述照準(zhǔn)儀和所述 望遠(yuǎn)鏡單元取向，4吏得所述望遠(yuǎn)鏡單元沿所述望遠(yuǎn)鏡的iW保持所述遠(yuǎn)處 目標(biāo)。所述設(shè)4^還可以包含用于在所述處理器和遠(yuǎn)處控制單元之間傳遞信 息的無線電裝置。所述i殳備還可以包含至少一個(gè)輸A^置和至少一個(gè)顯示 器。
基于本發(fā)明的實(shí)施例確定傾斜的方法可以包括從點(diǎn)光源通過透鏡向 包含在容器內(nèi)的反射流體表面發(fā)射光；檢測入射在檢測器元件的陣列上的 光，所述光從所述流體表面反射并通過所^:鏡在所述陣列上形成所述點(diǎn) 光源的散焦圖像，以獲取表示入射在每個(gè)檢測器元件上的光的檢測強(qiáng)度的 數(shù)據(jù)；以及根據(jù)所述數(shù)據(jù)確定重心，所述重心表示所述容器的傾斜。
基于本發(fā)明的實(shí)施例的方法可以包括一個(gè)或更多個(gè)附加特征。可以獲 取表示環(huán)境溫度的溫度值，并且根據(jù)所述數(shù)據(jù)確定重心可以包括將所述溫
度值用于確定針對(duì)環(huán)境溫度被校正的重心。檢測光以獲取數(shù)據(jù)可以包括從 數(shù)據(jù)組中獲取數(shù)據(jù)并且收集多個(gè)數(shù)據(jù)組以獲得一幀數(shù)據(jù)，并且確定重心可 以包括根據(jù)一幀數(shù)據(jù)計(jì)算重心。確定重心包括對(duì)在所選擇的時(shí)間間隔上獲 取的數(shù)據(jù)取平均。所述方法還可以包括產(chǎn)生重心的顯示用于表示所述容器 繞兩個(gè)正交軸的傾斜。所述方法還可以包括對(duì)于環(huán)境溫度校正傾斜靈敏度。


圖1示意性地示出了基于本發(fā)明的實(shí)施例的傾斜檢測器；
圖2示出了基于本發(fā)明的實(shí)施例的入射在檢測器陣列上的離焦光斑；
圖3示出了來自與入射在檢測器陣列上的光贈(zèng)目交的一行檢測器陣列
元件的檢測器信號(hào)的幅度；
圖4是表示對(duì)應(yīng)于圖2和圖3的檢測幅度分布的三維透視圖5示出了基于本發(fā)明的傾斜檢測器的第二實(shí)施例；
圖6是基于本發(fā)明實(shí)施例的傾斜檢測器模塊的截面圖7是圖6的傾斜檢測器模塊的部分被切去的透視圖8是用于基于本發(fā)明的實(shí)施例的傾斜檢測器的信號(hào)處理電路800的
示意圖9示出了基于本發(fā)明實(shí)施例的全站儀的局部截面正視圖； 圖IO是圖9的全站儀的功能框圖；以及
圖11示出基于本發(fā)明的實(shí)施例的傾斜檢測器和全站儀的操作的流程
圖，
具體實(shí)施例方式
圖1示意性地示出了基于本發(fā)明實(shí)施例的傾斜檢測器100。圖1沒有 按任何特定的比例繪制，并且夸大了相對(duì)尺寸以示出操作原理。流體105 包含在容器110中，容器110具有裝配有透鏡120的底115。光源125位 于透鏡120的焦距135處的焦平面140內(nèi)。檢測器陣列145位于透鏡120 的焦平面140之夕卜。傾斜檢測器100例如安裝在測地儀器的中心線150上，
圖1中未示出所述測地儀。
流體105例如是具有大約1.4的折射率ns的硅油。透鏡120例如是具 有大約1.5的折射率iig的玻璃，其將來自光源125的光準(zhǔn)直到無窮遠(yuǎn)。光 源125是點(diǎn)光源，例如具有大約150^1111直徑的發(fā)射區(qū)域的發(fā)光二極管。
來自光源125的光線155通過透鏡120和流體105，在液體105的上 表面被^Jlt，并通過流體105和透鏡120到達(dá)檢測器陣列145。入射在檢 測器陣列145上的光線被檢測并轉(zhuǎn)換為檢測器信號(hào)，
在靜止?fàn)顟B(tài)下，流體105的上表面與重力矢量正交。當(dāng)傾斜檢測器100 水平時(shí)，流體105的上表面如160所示并且重力矢量的相對(duì)取向如G所示。 從流體105的上表面反射的光線165被聚焦為在透鏡120的焦平面140上 的點(diǎn)。當(dāng)檢測器陣列145位于透鏡120的焦平面之外時(shí)，入射在檢測器陣 列145上的光線產(chǎn)生光源125的散焦圖像(不是點(diǎn)的光斑)，其實(shí)例示于 圖2。
當(dāng)傾斜檢測器100以角度a傾斜時(shí)，流體105的上表面相應(yīng)地在容器 IIO內(nèi)傾斜，如虛線170所示，并且重力矢量的相對(duì)取向用G'表示。流體
^Jt角的偏移，使得如虛線175所示的入射在檢測器陣列145上的光線 產(chǎn)生在檢測器陣列145的表面上位置偏移的光源125的散焦圖像。在圖1 中示意性地用180表示位置偏移。檢測器陣列145上的圖像的位置偏移可 以在兩個(gè)正交方向中的一個(gè)或兩個(gè)上產(chǎn)生.
在實(shí)施例中，檢測器陣列145是N行和M列檢測器元件的二維陣列， 例如256行和256列檢測器元件。圖2示出了入射在檢測器陣列145上的 光斑，所迷光斑為光源125的散焦圖像，因?yàn)闄z測器陣列145位于透鏡120 的焦平面140之外。在圖2的圖像中，光斑的中心定位在檢測器陣列的中 心，例如在256行的第128行和256列的第128列.當(dāng)傾斜檢測器100的 傾斜角a改變時(shí)，光斑的中心在檢測器陣列上移動(dòng)。
圖3示出了來自與入射在檢測器陣列上的光斑相交的一行檢測器陣列 的檢測器信號(hào)的幅度。例如，入射在位于光斑中心附近的一行(例如，256
行的第128行)檢測器陣列145的各個(gè)檢測器元件上的光的檢測幅度(A/D 電平)具有基本上如310所示的分布。入射在位于光斑外側(cè)的一行(例如， 256行的第1行或第256行)檢測器陣列的各個(gè)檢測器元件上的光的檢測 幅度(A/D電平)具有基本上如320所示的分布，所述電平是由于例如在 透鏡120和流體105之間的界面上反射的光的因素引起的，并由此被認(rèn)為 是背景噪聲。背景噪聲也可以由其它因素引起。優(yōu)選來自檢測器陣列145 的信號(hào)通過使用閾值330進(jìn)行過濾，使得表示光斑的檢測器信號(hào)130的部 分被保持而背景噪聲被去除。#測器陣列140獲取信號(hào)并對(duì)所述信號(hào)進(jìn) 行處理的實(shí)例在下面給出。
圖3還示出了強(qiáng)度分布的最大強(qiáng)度Imax，強(qiáng)度分布的最小強(qiáng)度Imin 以及最大強(qiáng)度Imax和最小強(qiáng)度Imin之間的差厶I。線110對(duì)應(yīng)于Imin以 上10%厶1的強(qiáng)度(A/D電平)，而線190對(duì)應(yīng)于Imin以上卯。/。Al的強(qiáng) 度(A/D電平)，或Imax以下10 % AI。 Dmax表示具有超過190的強(qiáng)度 的那部分強(qiáng)度分布的直徑，而Dmin表示具有超過110的強(qiáng)度的那部分強(qiáng) 度分布的直徑。由于形成在檢測器元件陣列上的光源的圖像是散焦圖像， 因此Dmax基本小于Dmin，例如Dmax<0.95*Dmin。在更散焦的圖像的 情況下，可以滿足Dmax<0.90*Dmin或Dmax<0.80*Dmin ， 甚至 Dmax<0.60*Dmin。特別是，線310的形狀可以是高斯形。
圖4示出了對(duì)應(yīng)于圖2和圖3的檢測幅度分布的三維透視圖400。
圖5示出了基于本發(fā)明的傾斜檢測器500的實(shí)施例，其使用棱鏡，以 通過將光束折射、并將光源和檢測器陣列放置在容器的側(cè)面來減小所述i殳 備的高度。圖5沒有畫出任何比例，并且夸大了相對(duì)尺寸以示出操作原理。 所述構(gòu)造具有橫向小尺寸，同時(shí)保持了測量繞兩個(gè)正交軸的傾斜的能力。 流體505包含在容器510中，容器510具有裝配有透鏡520和棱鏡525的 底515。光源530位于透鏡520的焦距處的焦平面535內(nèi)。檢測器陣列540 位于透鏡520的焦平面535之外。例如，安裝傾斜檢測器500，使其光學(xué) 鉛垂路徑545基本與測地儀的中心線550對(duì)準(zhǔn)，圖5中未示出所述測地儀。
流體505例如是具有大約1.4的折射率ns的硅油。透鏡520和棱鏡525
例如是具有大約1.5的折射率nG的玻璃。透鏡520將來自光源530的光準(zhǔn) 直到無窮遠(yuǎn)。光源530是點(diǎn)光源，例如具有大約150pm直徑的發(fā)射區(qū)域的 發(fā)光二極管。
來自光源530的光線555通過棱鏡525，從棱鏡525的表面560 M 射并通過透鏡520和流體505到達(dá)流體505的上表面。從流體505的上表 面反射的光線565通過流體505、透鏡520和棱鏡525，在棱鏡525的表面 56(MiL^射，并通過棱鏡525到逸瞼測器陣列540。入射在檢測器陣列540 上的光線被檢測并轉(zhuǎn)換為檢測器信號(hào)。
在靜止?fàn)顟B(tài)下，流體505的上表面與重力矢量正交。當(dāng)傾斜檢測器500 水平時(shí)，流體505的上表面如575所示，并且重力矢量的相對(duì)取向如G所 示。從流體505的上表面反射的光線565被聚焦為在透鏡520的焦平面535 上的點(diǎn)。當(dāng)檢測器陣列540位于透鏡520的焦平面之外時(shí)，入射在檢測器 陣列540上的光線產(chǎn)生光源530的散焦圖像(不是點(diǎn)的光斑)，其實(shí)例示 于圖2。
當(dāng)傾斜檢測器500以角度a傾斜時(shí)，流體505的上表面相應(yīng)地在容器 510內(nèi)傾斜，如虛線570所示，并且重力矢量的相對(duì)取向用G'表示。流體
^^射角的偏移，4吏得入射在檢測器陣列540上的i線產(chǎn)生在檢測器陣列 540的表面上位置偏移的光源530的散焦圖像。所述位置偏移示意性的在 圖5中用580表示。檢測器陣列540上的圖像的位置偏移可以在兩個(gè)正交 方向中的一個(gè)或兩個(gè)上產(chǎn)生。
在圖5的實(shí)施例中，光源530和檢測器陣列540安裝在具有例如585 和590所示的各種信號(hào)處理元件的電路板582上。
圖6是基于本發(fā)明實(shí)施例的傾斜檢測器模塊的截面圖。 圖7是圖6的傾斜檢測器模塊的部分被切去的透視圖。 圖8是用于基于本發(fā)明的實(shí)施例的傾斜檢測器的信號(hào)處理電路800的 示意圖.例如發(fā)光二極管805的點(diǎn)光源響應(yīng)于來自微控制器810的控制信 號(hào)發(fā)光。來自二極管805的光線如上所述從容器內(nèi)的流體表面被反射，并
且所述,iLA射的光線在檢測器陣列815上形成二極管805的發(fā)光區(qū)域的散 焦圖像。微控制器810通過控制線820、數(shù)據(jù)線825和集成電路間(I2C) 總線830與檢測器陣列815通信。溫度傳感器835和通用串行總線(USB) 接口 840也通過I2C總線830與微控制器810通信。電源850提供電力以 使微控制器810和二極管805、檢測器陣列815、溫度傳感器835和USB 接口 840運(yùn)行。USB接口 840允許將傾斜測量信號(hào)通過USB連接器855 傳送到外部處理器或顯示器，圖8中未示出。例如通過USB連接器從圖8 中未示出的外部電源向電源850供電。
檢測器陣列815可以是任何合適的圖像傳感器，其中的許多是可從市 場獲得的，例如由Agilent技林PIU^司在商業(yè)上提供的ADCS系列Agilent CMOS圖像傳感器。它們將靈敏的光電二極管元件陣列與計(jì)時(shí)控制和板上 樣數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器集成在一起。可以對(duì)窗口尺寸進(jìn)行編程，以使其從全 陣列(例如，640x480像素)降低到4x4像素，或者在例如256x 256像 素之間的某個(gè)值.集成的計(jì)時(shí)控制提供行和列尋址以及可編程的啄光控制、 幀速率和數(shù)據(jù)速率。微控制器810可以是任何合適的裝置，例如由Atmd 公司在商業(yè)上可提供的AVR 8-bit RISC裝置。發(fā)光4管805可以是任何 合適的裝置，例如由ELCOS有限責(zé)任公司在商業(yè)上可提供的點(diǎn)光源二極 管型號(hào)PL15-R。
傾斜檢測器的傾斜通過計(jì)算入射在檢測器陣列上的光斑的重心來確 定，沿檢測器陣列的光電二極管元件的行方向的傾斜例如根據(jù)下面的關(guān)系 來確定
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中，C/(。是沿行方向的傾斜，C/。(0是沿行方向的測平點(diǎn)誤差，p(。是 沿行方向的靈敏度，r是行的序數(shù)，c是列的序數(shù)，j(c力是在第c行和第r列 處的像素的A/D值，以及[...l是所有像素之和。沿檢測器陣列的光電二極
管元件的列方向的傾斜例如4艮據(jù)下面的關(guān)系來確定
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中，t/(c)是沿列方向的傾斜，t/。(c)是沿列方向的測平點(diǎn)誤差，p(c)是
沿列方向的靈敏度，r是行的序數(shù)，c是列的序數(shù)，傘力是在第c行和第r列 處的像素的A/D值，以及[...]是所有像素之和。
傾斜靈敏度M??；^)依賴于光學(xué)元件的焦距和像素間隔。例如將對(duì)入 射光強(qiáng)的靈敏度調(diào)整到150 (在8位構(gòu)造中256級(jí)的情況下)的等級(jí)，以 便利用光電二極管對(duì)入射光的靈敏度的線性范圍。
例如，通過僅使用來自光電二極管元件的超過合適極限的值(A/D電 平)，而使用閾值來去除噪聲。
可選擇地^供溫度傳感器835用于對(duì)傾斜檢測器電路校準(zhǔn)。流體的折 射率隨著溫度而改變，造成傾斜檢測器的測平點(diǎn)t/。(。、 t/。(c)改變；由此， 希望的是提供溫度校準(zhǔn)，以便在寬的環(huán)境溫度范圍下使用所述傾斜檢測器. 用溫度校正傾斜靈敏度W)、々)同樣是可能的。校正常數(shù)可以在人工氣候 室內(nèi)測量并存儲(chǔ)在微控制器810內(nèi)，以便當(dāng)使用傾斜檢測器時(shí)，微控制器 810能夠從溫度傳感器635獲得環(huán)境溫度，并根據(jù)對(duì)應(yīng)于環(huán)境溫度的測平
點(diǎn)誤差值C/。(。、 C/。(c)來計(jì)算傾斜值C/(0、 C/(c)。
微控制器810通過I2C總線830控制檢測器陣列815的操作模式，并 且還通過I2C總線830將計(jì)算得到的傾斜值傳送到USB接口 840。微控制 器810通過控制發(fā)光二極管805的電流和/或通過控制膝光時(shí)間來控制光強(qiáng) 水平。如果需要，發(fā)光二極管805可以持續(xù)發(fā)光，或者可以是脈沖式的以 對(duì)光輸出提供更精細(xì)的控制。例如，如果^t控制器810允許15的電流分級(jí)， 那么通過對(duì)發(fā)光二極管805的電流進(jìn)行脈沖調(diào)制獲得光輸出的中間等級(jí)， 從而獲得更精細(xì)的電流控制是可能的.一種可能的方案是用8-10ms的周期 進(jìn)行脈沖調(diào)制并在每個(gè)電流等級(jí)之間提供8級(jí)(從0個(gè)on脈沖和8個(gè)off 脈沖，到8個(gè)on脈沖和0個(gè)off脈沖)。
在實(shí)施例中，微控制器810通過I2C總線830發(fā)i^始命令到檢測器 陣列815。在操作中，檢測器陣列815通過被編程的光電二極管陣列(例 如，256 x 256)連續(xù)循環(huán)，并通過數(shù)據(jù)總線825將每個(gè)光電二極管的8位 等級(jí)值傳送到微控制器810。當(dāng)微控制器810獲得信息幀時(shí)，其計(jì)算傾斜 值并將所述計(jì)算的傾斜值通過I2C總線830傳送到USB接口 840用于通過
USB纜線855轉(zhuǎn)發(fā)。
在實(shí)施例中，微控制器810由此連續(xù)地接收來自檢測器陣列815的數(shù) 據(jù)，并將新一組計(jì)算的傾斜值作為每個(gè)新的數(shù)據(jù)幀傳送。對(duì)于在惡劣環(huán)境 條件下的儀器中使用，例如在儀器受到振動(dòng)和搖擺的工地，傾斜測量的經(jīng) 常更新是希望的。
在惡劣環(huán)境條件下，希望的是，將檢測器陣列編程為具有高曝光時(shí)間， 以避免信息的損失。在實(shí)施例中，通過調(diào)節(jié)施加到發(fā)光二極管805的電流 來調(diào)節(jié)啄光強(qiáng)度，使得曝光時(shí)間與檢測器陣列815傳送一幀數(shù)據(jù)(例如， 256線)所需要的時(shí)間匹配。在實(shí)施例中，膝光時(shí)間是在通過將一條線上 的光電二極管的電荷重置為起始電平來對(duì)所述條線清零、與讀取多個(gè)線中 的所述條線的光電二極管的lt據(jù)的時(shí)間之間的時(shí)間。所述固定數(shù)量的線可 以為一至更大數(shù)量，例如五條或更多條線，的范圍。
在實(shí)施例中，傾斜值的計(jì)算是滾動(dòng)的過程，其中采用延遲一幀或延遲 一個(gè)膝光時(shí)間間隔來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.在實(shí)施例中，以每幀0.2秒的速率 獲取數(shù)據(jù)，并且^t控制器810每秒計(jì)算五組傾斜值。在實(shí)施例中，在微控 制器810將傾斜值計(jì)算為在膝光時(shí)間(例如0.2秒)上的平均值的同時(shí)持 續(xù)地獲取數(shù)據(jù)。在實(shí)施例中，在一個(gè)周期的多個(gè)幀上取平均來計(jì)算傾斜值， 在微控制器810內(nèi)或者在包含基于本發(fā)明的傾斜檢測器的儀器的分立控制 器(未示出)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。
在實(shí)施例中，根據(jù)計(jì)劃的用途、預(yù)期的振動(dòng)條件、環(huán)境溫度、預(yù)期的 擾亂容器內(nèi)的流體的靜止?fàn)顟B(tài)的儀器的運(yùn)動(dòng)和/或其它需要考慮的事項(xiàng)，來 選捧例如二極管電流、膝光時(shí)間、平均間隔等參數(shù)。例如，當(dāng)人工^Mt員 手工對(duì)儀器調(diào)平時(shí)，不希望在長的周期上對(duì)傾斜測量取平均，因?yàn)槿斯げ?br> 作員想要看到測量隨著手工調(diào)平的進(jìn)行的即時(shí)改變。 一旦完成了手工調(diào)平 操作，人工操作員可能希望改變?yōu)樵诙鄠€(gè)幀(例如，在三秒的周期上)上
取平均的模式用于提高測量精度。因此儀器可以提供不同的操作模式供人 工操作員選擇。
基于本發(fā)明的實(shí)施例可以具有一個(gè)或更多個(gè)下面的特性。首先，光束
以接近90度的角度入射在流體表面上。利用CCD線檢測器的現(xiàn)有技術(shù)的 配置對(duì)于所有入射光的反射具有大約45度的入射角，以便提供更大的光 能。例如CMOS光電二極管陣列的面?zhèn)鞲衅餍枰^少的能量，因此大約 2.5 %的反射能量就足夠了 。較大的入射角允許更緊湊的傾斜檢測器結(jié)構(gòu)，
第二，光源是點(diǎn)光源?？梢允褂命c(diǎn)光源是因?yàn)闄z測器陣列包含高靈敏 度元件(例如，CMOS 二極管)和提供數(shù)據(jù)的內(nèi)置格數(shù)轉(zhuǎn)換器，由此能夠 以子像素的精度計(jì)算被檢測信號(hào)的重心。像素尺寸(光電二極管間隔)例 如是7拜。
第三，檢測器陣列上的點(diǎn)的圖像通過將檢測器陣列設(shè)置在透鏡的焦平 面以外來散焦。例如，來自大約150jun直徑的點(diǎn)光源的點(diǎn)的檢測器陣列上 的圖傳^L散焦為大約250jxm的區(qū)域。為了高精度地計(jì)算所述圖像的重心， 有利的是沒有銳利的圖像邊緣。將像素幅度(光電二極管等級(jí))的高斯分 布的邊緣用于計(jì)算具有子像素精度的點(diǎn)圖像的重心。利用在傳感器封裝內(nèi) 的處理器(微控制器)實(shí)時(shí)計(jì)算圖像的重心。
第四，與流,觸的透4^面(例如，與流體105接觸的透鏡120的 上表面和與流體505接觸的透鏡520的上表面)是非平面的。當(dāng)來自點(diǎn)光 源的光以與流體的上表面近似正交的角度入射時(shí)，由于低反射率(例如， 大約2.5% )而使信號(hào)低。平坦的上透^4面^it成在透衛(wèi)流體界面處的 反射，容易增加入射在檢測器陣列上的點(diǎn)的中心區(qū)域內(nèi)的噪聲.凸或凹的 上透4^面容易在更大的區(qū)域內(nèi)^IML透鏡-流體界面處發(fā)生的反射，而容 易在關(guān)注的區(qū)域(入射在檢測器陣列上的光斑的中心)內(nèi)產(chǎn)生更高的信噪 比。透鏡的作用聚焦表面是凸的，并且與流體接觸的非作用表面是凸的(如 圖l那樣)或凹的(如圖5那樣).
在實(shí)施例中，焦平面位于在透鏡之后的單個(gè)焦距處。在實(shí)施例中，光 源和檢測器陣列中的至少一個(gè)位于焦平面之外，以俊^^射在檢測器陣列 上的光源的圖像散焦，例如，具有高斯分布。在實(shí)施例中，使用整個(gè)孔徑。
在實(shí)施例中，透鏡并不與流體接觸而是靠近流體放置，并且提供窗口 用于供來自點(diǎn)光源的光通過透鏡和窗口 iiA流體并通過窗口和透鏡射出而
到ii^r測器陣列。如果提供窗口，那么在實(shí)施例中與流體接觸的窗口表面 是非平面的(例如，凸的或凹的)。
基于本發(fā)明的實(shí)施例包括包含傾斜檢測器的測地儀。例如，圖9示出 了基于本發(fā)明的實(shí)施例的全站儀的局部截面正視圖，以及圖IO是這種全站 儀的功能框圖。
參考圖9，全站儀卯0具有安裝在可調(diào)節(jié)三角臺(tái)904上用于繞支撐軸 卯6轉(zhuǎn)動(dòng)的照準(zhǔn)儀902，當(dāng)照準(zhǔn)儀卯2水平時(shí)所述支撐軸是垂直的。安裝具 有帶有光學(xué)中心線(瞄準(zhǔn)線)912的望遠(yuǎn)鏡910的望遠(yuǎn)鏡單元卯8,使其繞 與支撐軸906正交的仰角軸914轉(zhuǎn)動(dòng)。
可控制的水平驅(qū)動(dòng)器196響應(yīng)于控制信號(hào)4吏照準(zhǔn)儀卯2繞支撐軸906 轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著照準(zhǔn)儀卯2轉(zhuǎn)動(dòng)，通過水平角度傳感器920檢測相對(duì)于三角臺(tái) 904固定的有刻度的環(huán)918的標(biāo)記?？煽刂频拇怪彬?qū)動(dòng)器922響應(yīng)于控制 信號(hào)使望遠(yuǎn)鏡單元908繞仰角軸914轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著望遠(yuǎn)鏡單元908轉(zhuǎn)動(dòng)，通 過垂直角度傳感器926檢測相對(duì)于望遠(yuǎn)鏡單元908固定的有刻度的環(huán)924 的標(biāo)記。具有可手工操作^L的水平控制器928和具有可手工操作a的 垂直控制器930分別為用戶提供用于控制水平驅(qū)動(dòng)器916和垂直驅(qū)動(dòng)器 922的輸入。
照準(zhǔn)儀902可繞支撐軸卯6轉(zhuǎn)動(dòng)到任意合適的角度，并且望遠(yuǎn)鏡單元 卯8可繞仰角軸914轉(zhuǎn)動(dòng)到任意合適的角度，甚至超過360度的角度，用 于將望遠(yuǎn)鏡910瞄準(zhǔn)任意定位的外部目標(biāo)，提供集電環(huán)932用于將電力從 外部電源(圖10中示出)傳輸?shù)秸諟?zhǔn)儀902和/或在照準(zhǔn)儀902和外部控 制單元(圖10中示出)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令通信。提供集電環(huán)934用于將 電力從照準(zhǔn)儀卯2傳輸?shù)酵h(yuǎn)鏡單元908，并且在照準(zhǔn)儀卯2和望遠(yuǎn)鏡單 元908之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的通信。
照準(zhǔn)儀902包括手柄936以便于運(yùn)輸。提供光學(xué)鉛垂938,以便通過 將與支撐軸906同軸的光束垂直向下發(fā)射、或在選定的點(diǎn)通過小的望遠(yuǎn)鏡 在938觀察，而在測量標(biāo)石或其它選定的點(diǎn)上對(duì)全站儀900手工定位。例 如參考圖1-8所述的傾斜檢測器940提供表示照準(zhǔn)儀902沿兩個(gè)相互正交
的方向的傾斜的信號(hào)，并由此能夠設(shè)立全站儀使得支撐軸906鉛垂并且仰 角軸水平。如果傾斜傳感器940具有圖5、 6、 7的形狀，那么優(yōu)選不將傳 感器安裝在照準(zhǔn)儀側(cè)面而是安裝在中心，光學(xué)鉛垂938旁邊，并與支撐軸 906同軸，以使得在儀器轉(zhuǎn)動(dòng)期間的擾動(dòng)最小。
提供具有天線944的無線電模塊942,用于在全站儀900和外部無線 電控制單元(圖IO所示)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的通信。提供電池946,用 于為全站儀900提供電力。全站儀900還具有可移動(dòng)的控制單元和顯示屏 (圖10中示出)，所述控制單元具有小鍵盤和/或其它輸入裝置。
參考圖10的框圖1000，虛線表示設(shè)置了各個(gè)元件的物理單元。在照 準(zhǔn)儀902內(nèi)，電源1002連接到電池946用于為主處理器1004和全站儀的 其它元件供電.主處理器1004包括相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)裝置等，未 示出。未示出電源連接線以免遮蓋元件的功能關(guān)系。通it^電源1002到全
用串行總線(USB)的總線傳輸提供電能。類似的，主處理器1004和全站 儀的其它元件之間的通信通過各個(gè)連接線和/或例如通用串行總線的共用 總線1006進(jìn)行。集電環(huán)932將電連接提供到具有電源1010和/或外部控制 單元1012的外部單元1008。 "R供集電環(huán)934用于在主處理器1004和望遠(yuǎn) 鏡單元卯8的元件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以及用于將電能提供到望遠(yuǎn)鏡單元 908的元件。每個(gè)功能元件都在主處理器1004的控制下并能夠被命令將測 量結(jié)果傳送到主處理器1004。
4^供水平控制器928、垂直控制器930和聚焦控制器1014,用于命令 的手工輸入以設(shè)置照準(zhǔn)儀902的方位角取向、望遠(yuǎn)鏡單元卯8的仰角和望 遠(yuǎn)鏡910的光學(xué)焦點(diǎn)。所述命令通過接口 1016傳輸?shù)街魈幚砥?004?？?移動(dòng)控制臺(tái)1018提供顯示屏1020和例如小鍵盤和/或觸摸屏的輸入裝置 1022。控制臺(tái)1018用于在人工操作員和全站儀之間的通信，以便能夠進(jìn)行 命令和數(shù)據(jù)的手工輸入以及用戶菜單和數(shù)據(jù)的顯示。控制臺(tái)1018包括用于
對(duì)與主處理器1004的通信進(jìn)行管理以及用于支持其它例如測地計(jì)算的任 務(wù)的輸"輸出處理器1024?？刂婆_(tái)1018通過連接器1026與主處理器1004 和電源1002連接。
無線電模塊942通過總線1006與主處理器1004通信，通過天線944 與具有天線1028的無線電控制單元1026通信。例如，當(dāng)位于測量目標(biāo)處 時(shí)，全站儀可以由無線電控制單元1026進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
望遠(yuǎn)鏡單元908包括距離測量模塊1030、伺服聚焦模塊1032、跟蹤器 模塊1034和跟蹤輔助模塊1036。
距離測量模塊1030例如通過朝向目標(biāo)發(fā)光并檢測反射光的相位改變、 或通過朝向目標(biāo)發(fā)射光脈沖并確定反射脈沖的飛行時(shí)間，來測量從全站儀 到目標(biāo)的距離。距離測量計(jì)算在距離測量模塊1030的電路內(nèi)和/或主處理 器1004內(nèi)進(jìn)行。
才艮據(jù)來自主處理器1004的信號(hào)響應(yīng)于聚焦控制器1014的手工調(diào)節(jié)和/ 或響應(yīng)于伺服聚焦模塊1032內(nèi)的自動(dòng)聚焦電路，伺服聚焦模塊1032提供 對(duì)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)元件的可控聚焦。
跟蹤器模塊1034使全站儀能夠自動(dòng)地使望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)目標(biāo)并隨著目標(biāo) 移動(dòng)而跟蹤目標(biāo)。跟蹤器模塊1034通過望遠(yuǎn)鏡光學(xué)元件發(fā)射窄的光束。當(dāng) 所述光被從目標(biāo)反射時(shí)，被傳感器檢測，傳感器發(fā)射跟蹤信號(hào)到主處理器 1004以指示方位角和仰角的需要改變。
跟蹤輔助模塊1034通過發(fā)光來輔助人工操作員將可移動(dòng)的目標(biāo)放置 在望遠(yuǎn)鏡的光軸上，當(dāng)被定位在望遠(yuǎn)鏡的瞄準(zhǔn)線的一側(cè)或另一側(cè)時(shí)，所述 光被導(dǎo)引為使人工操作員看到各種不同顏色。
根據(jù)從水平角度傳感器920接收的信號(hào)，將照準(zhǔn)儀902的方位角取向 通知主處理器1004。照準(zhǔn)儀卯2的方位角取向由主處理器1004發(fā)送到水 平驅(qū)動(dòng)控制器1040的信號(hào)來控制。水平驅(qū)動(dòng)器916響應(yīng)于水平驅(qū)動(dòng)控制器 1040，使照準(zhǔn)儀902繞支撐軸906轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)從垂直角度傳感器926接收 的信號(hào)將望遠(yuǎn)鏡單元卯8的仰角通知主處理器1004。望遠(yuǎn)鏡單元908的仰 角由從主處理器1004發(fā)送到垂直驅(qū)動(dòng)控制器1042的信號(hào)來控制.垂直驅(qū) 動(dòng)器922響應(yīng)于垂直驅(qū)動(dòng)控制器1042 4吏望遠(yuǎn)鏡單元908繞仰角軸914轉(zhuǎn)動(dòng)。
主處理器1004根據(jù)下列若干來源中的一個(gè)確定合適的方位角和仰角
控制器928和930的手動(dòng)i殳置；通過輸入裝置1022進(jìn)行的數(shù)據(jù)的手工輸入； 來自無線電控制單元1028的遠(yuǎn)程命令；以及當(dāng)允許跟蹤功能時(shí)來自跟蹤器 1036的自動(dòng)信號(hào)。
圖11示出了示出基于本發(fā)明實(shí)施例的傾斜檢測器和例如全站儀的測 地儀的操作的流程圖1100。為了便于理解，圖11的流程首先在人工操作 員執(zhí)行的功能和儀器執(zhí)行的功能之間進(jìn)行劃分。在儀器內(nèi)執(zhí)行的功能被劃 分為由儀器的主處理器，例如主處理器1004，執(zhí)行的功能，和由儀器的傾 斜檢測器，例如傾斜檢測器940,執(zhí)行的功能。在傾斜檢測器內(nèi)執(zhí)行的功 能被進(jìn)一步劃分為由傾斜檢測器的微控制器，例如微控制器810，執(zhí)行的 功能，和由傾斜檢測器的檢測器陣列，例如檢測器陣列815，執(zhí)行的功能。
人工操作員采用起始命令1102啟動(dòng)儀器。主處理器在1104啟動(dòng)操作 并在1106發(fā)送命令以啟動(dòng)微控制器。微控制器在1108啟動(dòng)IMt，在1U0 發(fā)送命令以啟動(dòng)檢測器陣列，并在1112發(fā)送電力以點(diǎn)亮點(diǎn)光源LED。檢 測器陣列在1114啟動(dòng)操作并在1116開始獲取數(shù)據(jù)，當(dāng)獲取了數(shù)據(jù)組(例 如一個(gè)光電檢測器的A/D值)時(shí)，檢測器陣列在1120將獲取的數(shù)據(jù)組1118 傳輸?shù)轿⒖刂破?。檢測器陣列在1124對(duì)檢測器元件加1。只要檢測器陣列 保持在操作狀態(tài)，其就持續(xù)獲取并傳輸數(shù)據(jù)。
在1126，將微控制器接收的數(shù)據(jù)組1118存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。微控制器 在1128檢查是否已經(jīng)獲取了完整的數(shù)據(jù)幀(例如，表示點(diǎn)光源LED的完 整散焦圖像的完整數(shù)據(jù)組)。微控制器在1130可選地獲取用于計(jì)算溫度校 正傾斜測量的溫度值。在1132可選地根據(jù)人工輸入和/或從預(yù)編程或默認(rèn) 的^t提供取平均的^t。主處理器在1134可選地設(shè)置合適的^和/或 可選地將取平均的參數(shù)1136傳送到微控制器。^t控制器因此可選地i殳置其 取平均的M。
微控制器在1140計(jì)算傾斜測量，可選地進(jìn)行溫度校正并可選地在多個(gè) 數(shù)據(jù)組和/或多個(gè)數(shù)據(jù)幀上取平均。微控制器在1142將計(jì)算的傾斜測量傳 輸?shù)街魈幚砥鞑⒌却?一幀數(shù)據(jù)。主處理器在1146可選地在設(shè)計(jì)的時(shí)間間 隔上對(duì)傾斜測量取平均。主處理器在1150將傾斜測量信號(hào)傳輸?shù)斤@示器。
顯示屏或其它合適的輸出裝置顯示對(duì)應(yīng)于人工操作員的信息的傾斜測量。 不僅將角度傳感器設(shè)計(jì)為顯示和存儲(chǔ)角度數(shù)據(jù)，而且支持具有角度計(jì)
算的快速數(shù)據(jù)的伺服系統(tǒng)。另外，角度測量系統(tǒng)對(duì)下列進(jìn)行補(bǔ)償 鉛垂軸的偏移的自動(dòng)校正。
準(zhǔn)直誤差的自動(dòng)校正。
樞軸傾斜的自動(dòng)校正。
減少瞄準(zhǔn)誤差的取算數(shù)平均。
在由于不穩(wěn)定的地面或地面粘度改變，例如道路柏油路面材料受熱， 而導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)三角架腿移動(dòng)時(shí)，鉛垂軸可能發(fā)生偏移。對(duì)此移動(dòng)的校 正確保了精確的測量。
最現(xiàn)代化的全站儀裝配有雙軸補(bǔ)償器，其對(duì)由于測平誤差 (mislevelment)而導(dǎo)致的鉛垂軸的任何偏移自動(dòng)進(jìn)行水平和垂直角度校 正?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，水平##器傳感器安裝在儀器的中心以使對(duì)儀 器的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的敏感性降到最低。優(yōu)選將安裝設(shè)^^殳計(jì)為用于能夠提供 絕對(duì)水平補(bǔ)償器值的最高穩(wěn)定性，以便補(bǔ)償器能夠在使儀器加電之后直接 以完4Ht^作用。另外，可以為#^器的常恥艮準(zhǔn)提供自動(dòng)過程.校準(zhǔn) 過程包括在儀器的360度旋轉(zhuǎn)過程中相對(duì)于儀器的平衡垂直軸建立水平參 考平面。參考平面的取向可能隨著大的溫度變化或其它;Wfe應(yīng)力而稍微改 變。
除了針對(duì)測平誤差校正水平和垂直角度之外，基于本發(fā)明的實(shí)施例還 校正由于測平誤差而產(chǎn)生的瞄準(zhǔn)誤差。將測平誤差校正施加到祠服驅(qū)動(dòng)器
上以^^儀器重新瞄準(zhǔn)。例如，當(dāng)延長垂直線以確保能夠獲得真正的垂直線 時(shí)就能夠校正瞄準(zhǔn)。結(jié)果是針對(duì)測平誤差校正水平和垂直角度，同時(shí)將儀 器精確地瞄準(zhǔn)校正位置。所述能力確保校正測平誤差以提供精確的角度測 量。
基于本發(fā)明的實(shí)施例還校正對(duì)測量的水平和垂直角度有影響的準(zhǔn)直誤 差。水平準(zhǔn)直誤差是瞄準(zhǔn)線和垂直于水平軸的平面之間的差；垂直準(zhǔn)直誤 差是豎盤(vertical circle)零度線與鉛垂軸之間的差。按照慣例，通過在
儀器兩面上對(duì)角度進(jìn)行觀察來消除準(zhǔn)直誤差?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，準(zhǔn)直 誤差可以通過進(jìn)行預(yù)先測量準(zhǔn)直測試來預(yù)先確定。在儀器兩面上觀察角度 測量以便能夠計(jì)算準(zhǔn)直誤差并將各個(gè)誤差值存儲(chǔ)在儀器中。然后將準(zhǔn)直誤 差值施加到隨后的所有角度測量中。因此對(duì)在單面上觀察的角度校正準(zhǔn)直 誤差，由此避免需要在儀器的兩面上進(jìn)行測量。跟蹤器單元使自動(dòng)鎖定和 跟蹤目標(biāo)成為可能。由于通過儀器進(jìn)行對(duì)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)，因此水平和垂直準(zhǔn) 直的影響類似于在手工瞄準(zhǔn)中的影響。為了在跟蹤器單元中校正準(zhǔn)直誤差， 可以進(jìn)行自動(dòng)鎖定準(zhǔn)直測試。自動(dòng)鎖定準(zhǔn)直測試自動(dòng)地在儀器的兩面觀察 對(duì)目標(biāo)的角度測量。然后計(jì)算自動(dòng)鎖定準(zhǔn)直誤差，并將各個(gè)校正值存儲(chǔ)在 儀器中。然后將自動(dòng)鎖定準(zhǔn)直誤差值施加到所有在允許自動(dòng)鎖定時(shí)觀察的 角度測量中。因此對(duì)在單面上觀察的角度校正準(zhǔn)直誤差，由此避免需要在 儀器的兩面上進(jìn)行測量。
基于本發(fā)明的實(shí)施例自動(dòng)校正水平軸傾斜誤差。水平軸傾斜誤差是水 平軸和垂直于鉛垂軸的平面之間的差。水平軸傾斜誤差可以通過進(jìn)行預(yù)先 測量水平軸傾斜測試來確定。在儀器的兩面上觀察角度測量，以便能夠計(jì) 算水平傾斜軸誤差，并將各個(gè)校正值存儲(chǔ)在儀器內(nèi).然后將水平傾斜軸校 正值施加到所有隨后的水平角度中。
也可以基于本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行測平誤差的瞄準(zhǔn)補(bǔ)償。常規(guī)的全站儀 使用雙軸##器以針對(duì)測平誤差的影響校正水平和垂直角度。然而，角度 校正并未補(bǔ)償由于測平誤差而引起的瞄準(zhǔn)誤差。基于本發(fā)明的實(shí)施例，不 僅將傾斜傳感器輸出用于針對(duì)測平誤差校正水平和垂直角度，而且校正由 于測平誤差引起的瞄準(zhǔn)誤差.將測平誤差校正施加到伺服驅(qū)動(dòng)器以將儀器 重新瞄準(zhǔn)到校正位置。結(jié)果是針對(duì)水平誤差校正了水平和垂直角度，同時(shí) 儀器仍然精確地瞄準(zhǔn)校正位置。
向上或向下延伸垂直線的能力。所述能力要求對(duì)儀器完全測平，并且對(duì)所 有的軸理想地調(diào)節(jié)。實(shí)際上，垂直轉(zhuǎn)動(dòng)儀器，水平角會(huì)稍微改變。為了獲 得真實(shí)的垂直線，不得不調(diào)節(jié)水平角?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，將補(bǔ)償和誤
差信息用于自動(dòng)調(diào)節(jié)水平角度，并在旋轉(zhuǎn)垂直控制按鈕時(shí)對(duì)準(zhǔn)固定值。因 此，能夠通過簡單旋轉(zhuǎn)垂直控制按鈕延長理想的垂直線。
與用于延長垂直線的技術(shù)類似，沿與給定的水平方向精確相對(duì)的方向 設(shè)置水平直線的傳統(tǒng)方式是，通過簡單地旋轉(zhuǎn)垂直控制按鈕將望遠(yuǎn)鏡移動(dòng)
180度。對(duì)于常規(guī)的儀器，為了精確的結(jié)果，所述技術(shù)需要不存在水平準(zhǔn) 直誤差的精確調(diào)節(jié)軸。基于本發(fā)明的實(shí)施例，將準(zhǔn)直和補(bǔ)償器誤差信息用 于在旋轉(zhuǎn)垂直控制按鈕時(shí)將水平角度自動(dòng)調(diào)節(jié)到固定值。通過僅旋轉(zhuǎn)垂直 控制掩組調(diào)節(jié)所述水平角度以提供精確的直線方向。
為了清ft^見，未示出和描述此處所描述的實(shí)施方式的所有常規(guī)特征。 應(yīng)當(dāng)理解，在這種實(shí)際實(shí)施方式的開發(fā)中，必須進(jìn)行大量實(shí)施特定判斷以 實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如與應(yīng)用和商業(yè)相關(guān)限制相匹配，并且這些特 定目標(biāo)會(huì)從一個(gè)實(shí)施方式到另一個(gè)以M—個(gè)開發(fā)者到另一個(gè)而改變。另 外，應(yīng)當(dāng)理解，開發(fā)的努力可能是復(fù)雜的并且耗時(shí)的，但是盡管如此，這 是從>^/>開的內(nèi)容獲得好處的本領(lǐng)域技術(shù)人員的常規(guī)技術(shù)任務(wù)。
盡管已經(jīng)示出和描述了基于本發(fā)明的實(shí)施例和應(yīng)用，但是從t&開的 內(nèi)容獲得好處的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，在不脫離此處的發(fā)明構(gòu)思的情 況下，比上面所述更多的改進(jìn)是可能的。因此，除了所附權(quán)利要求書的精 神之外，本發(fā)明并不受到限制.
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括容納有流體(105)的容器(110)，所述流體具有反射表面(160)；透鏡(120)；點(diǎn)光源(125)，其通過所述透鏡(120)朝向所述流體表面(160)發(fā)光；檢測器元件的二維陣列(145)，其被定位為使得，從所述反射表面(160)反射的光通過所述透鏡(120)到達(dá)所述檢測器元件上，每個(gè)檢測器元件產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于入射光的幅度的值；以及處理器(810)，所述處理器響應(yīng)于所述檢測器元件產(chǎn)生的值，計(jì)算在所述檢測器元件上形成的圖像的重心，其中所述計(jì)算的重心依賴于所述容器(110)的傾斜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的設(shè)備，其中所述光在所述檢測器元件上形成所述 點(diǎn)光源(125)的圖像，
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其中所述點(diǎn)光源(125)和所述陣列 (145)相對(duì)于所i^it鏡(120)和所述反射表面(160)定位，使得在所述檢測器元件上形成的所述圖像是所述點(diǎn)光源(125)的散焦圖像。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的設(shè)備，其中所述點(diǎn)光源(125)基本位 于所述透鏡(120)的焦平面(140)內(nèi)，并且所述陣列(145) ^位于所 iiit:鏡(120)的所述焦平面(140)之外，使得在所述檢測器元件上形成 的圖像是所述點(diǎn)光源(125)的散焦圖像.
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的設(shè)備，其中所述陣列(145)基本位于 所i4it鏡(120)的焦平面(140)內(nèi)，并且所述光源(125)基本位于所述 透鏡(120)的焦平面(140)之外，使得在所述檢測器元件上形成的所述 圖像是所述點(diǎn)光源(125)的散焦圖像。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的設(shè)備，其中所述點(diǎn)光源(125)和所述 二維陣列(145)的至少一個(gè)基本位于所述透鏡(120 )的焦平面(140 )之2 外。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的設(shè)備，其中所述處理器以子像素精度計(jì) 算所述重心。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的設(shè)備，其中所述計(jì)算的重心依賴于所述 容器(110)繞兩個(gè)正交軸的傾斜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8之一的設(shè)備，其中所述透鏡(520 )具有與所 述流體(505)接觸的非平面表面。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9之一的設(shè)備，還包括棱鏡(525)，其位于所 述點(diǎn)光源(530)和所述反射表面(575)之間的M上、并用于將來自所 述點(diǎn)光源(530)的光朝向所述流體表面(575)導(dǎo)引。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其中所述棱鏡(525)用于將光從所述 反射表面(575)朝向所述二維陣列(540)導(dǎo)引。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11之一的設(shè)備，其中所述處理器(810 )響應(yīng) 于所述檢測器元件產(chǎn)生的超出閾值(330)的值，計(jì)算在所述檢測器元件上 形成的所述圖像的重心，
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12之一的設(shè)備，還包括根據(jù)環(huán)境溫度產(chǎn)生信號(hào) 的傳感器(835)，并且其中，當(dāng)計(jì)算在所述檢測器元件上形成的所述圖像 的重心時(shí)，所述處理器(810)響應(yīng)于所述信號(hào)進(jìn)行溫度校正。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至13之一的設(shè)備，其中所述處理器(810 )響應(yīng) 于所逸險(xiǎn)測器元件在預(yù)定時(shí)間間隔上產(chǎn)生的值，計(jì)算在所述預(yù)定時(shí)間間隔 上取平均的在所述檢測器元件上形成的所述圖像的重心.
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中所述處理器響應(yīng)于由用戶選擇的所 述預(yù)定的時(shí)間間隔。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1至15之一的設(shè)備，其中所述處理器(810 )控制 來自所述點(diǎn)光源(805)的發(fā)光。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1至16之一的設(shè)備，其中所述檢測器元件包括 CMOS光電二極管。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1至17之一的設(shè)備，還包括底座(904);照準(zhǔn) 儀(902)，其被安裝在所述底座(卯4)上以繞支撐軸(卯6)轉(zhuǎn)動(dòng)；以及 望遠(yuǎn)鏡單元(卯8),其被可旋轉(zhuǎn)地安裝在所述照準(zhǔn)儀(卯2)上以繞仰角 軸(914)轉(zhuǎn)動(dòng)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18，還包括用于檢測所述照準(zhǔn)儀(卯2)的轉(zhuǎn)動(dòng)取 向的方位角傳感器(920)、和用于檢測所述望遠(yuǎn)鏡單元(卯8)的轉(zhuǎn)動(dòng)取 向的仰角傳感器(926)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的設(shè)備，還包括處理器，其響應(yīng)于所述方位角 傳感器(920)和所述仰角傳感器(926)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號(hào)；以及驅(qū)動(dòng)器(916, 922)，其響應(yīng)于所述轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號(hào)使所述照準(zhǔn)儀(902)和所述望 遠(yuǎn)鏡單元(908 )取向。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19和20之一的設(shè)備，其中所述處理器使用所述計(jì) 算的重心確定下列至少一個(gè)(0對(duì)所述設(shè)備的軸的鉛垂偏差的校正，以及 (ii)對(duì)準(zhǔn)直誤差的校正。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其中所述處理器使用所述計(jì)算的重心確 定下列至少一個(gè)(i) 瞄準(zhǔn)補(bǔ)償，(ii) 垂直線延伸，以及(iii) 水平線延伸。
23. 根據(jù)權(quán)利要求18至22之一的設(shè)備，其中所述望遠(yuǎn)鏡單元(908) 包括距離測量模塊(1030)，其用于測量距遠(yuǎn)離所述設(shè)備的目標(biāo)的距離.
24. 根據(jù)權(quán)利要求18至23之一的設(shè)備，其中所述望遠(yuǎn)鏡單元(908) 包括望遠(yuǎn)鏡和用于所述望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)聚焦的伺服聚焦模塊(1032),
25. 根據(jù)權(quán)利要求18至24之一的設(shè)備，其中所述望遠(yuǎn)鏡單元包括跟 蹤器(1034)，其用于檢測所述望遠(yuǎn)鏡單元相對(duì)于遠(yuǎn)處目標(biāo)的取向，并且 其中所述處理器(1004)響應(yīng)于所述跟蹤器(1034)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號(hào)， 以使所述照準(zhǔn)儀(902 )和所述望遠(yuǎn)鏡單元取向，使得所述望遠(yuǎn)鏡單元(908) 沿所述望遠(yuǎn)鏡的光路保持所述遠(yuǎn)處目標(biāo)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1至25之一的設(shè)備，還包括無線電設(shè)備(942)， 其用于在所述處理器(1004)和所述遠(yuǎn)程控制單元之間傳遞信息。
27. 根據(jù)權(quán)利要求1至26之一的設(shè)備，還包括至少一個(gè)輸入裝置(1022 ) 和至少一個(gè)顯示器(1020)。
28. —種檢測傾斜的方法，包括從點(diǎn)光源(125)通過透鏡(120)朝向容納在容器(110)內(nèi)的反射流 體表面(160 )發(fā)光；檢測入射在檢測器元件的陣列(145)上的光，所述M所述流體表面 (160)被^^射并通過所iiit:鏡(120)在所述陣列(145)上形成所述點(diǎn)光 源(125)的散焦圖像，以獲取表示入射在每個(gè)檢測器元件上的光的檢測強(qiáng) 度的數(shù)據(jù)；以及根據(jù)所述數(shù)據(jù)確定重心，所述重心表示所述容器(110)的傾斜。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28的方法，還包括獲^示環(huán)境溫度的溫度值，其 中根據(jù)所述數(shù)據(jù)確定重心包括應(yīng)用所述溫度值確定針對(duì)環(huán)境溫度被校正的 重心。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28至29之一的方法，其中檢測光以獲取數(shù)據(jù)包括 獲取數(shù)據(jù)組中的數(shù)據(jù)并收集多組數(shù)據(jù)組以獲得一幀數(shù)據(jù)，并且其中確定重 心包括根據(jù)一幀數(shù)據(jù)計(jì)算重心，
31. 根據(jù)權(quán)利要求28至30之一的方法，其中確定重心包括對(duì)在選定 時(shí)間間隔上獲取的數(shù)據(jù)取平均。
32. 根據(jù)權(quán)利要求28至31之一的方法，還包括產(chǎn)生對(duì)所述重心的顯 示，用于表示所述容器繞兩個(gè)正交軸的傾斜。
33. 根據(jù)權(quán)利要求28至32之一的方法，還包括針對(duì)環(huán)境溫度校正傾 斜靈敏度。
全文摘要
用于檢測傾斜的設(shè)備和方法，其使用點(diǎn)光源(125)，光從所述點(diǎn)光源通過透鏡(120)朝向容納在容器(110)內(nèi)的流體(105)的反射表面(160)發(fā)射。從所述表面反射的光通過所述透鏡在檢測器元件的二維陣列(145)上形成所述點(diǎn)光源的散焦圖像。從所述陣列獲取的數(shù)據(jù)表示入射在每個(gè)檢測器元件上的光的強(qiáng)度。根據(jù)所述數(shù)據(jù)確定表示所述容器的傾斜的重心。
文檔編號(hào)G01C1/02GK101103249SQ200680002088
公開日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月12日
發(fā)明者A·格利姆 申請(qǐng)人:特里伯耶拿有限公司