[发明专利]浮体发光式倾仰角检测器及检测方法

权利要求书

1.浮体发光式倾仰角检测器，其特征在于：包括信号采集模块、信号转换模块和数据处理模块；

信号采集模块，包括圆柱容器、感光器单元和发光浮体，圆柱容器内腔设有液体，发光浮体用于向各个方向发射光束，采用发光二极管作为光源，发光浮体设于圆柱容器中且浮于液面；感光器单元用于接收发光浮体发射的光束并将其转换为电信号，感光器单元在圆柱容器的内壁圆周上形成感光器环形阵列，感光器环形阵列中的感光器单元沿圆柱容器轴向延伸至圆柱容器端面形成感光器轴向阵列；感光器单元为球形且外表面均匀分布有感光管；

信号转换模块包括放大滤波器、比较器和并转串逻辑单元；放大滤波器输入端和输出端分别电连接于感光器单元输出端和比较器输入端，比较器输出端电连接于并转串逻辑单元输入端，并转串逻辑单元输出端电连接于数据处理模块输入端；信号转换模块通过放大滤波器对感光器单元输出的电信号进行放大和滤波，然后输入至比较器与预设门限电平u_thd进行比较得到输出电平，将m路输出电平并行寄存于一个并转串逻辑单元，然后串行移位输出至数据处理模块的数据接口，这样，数据处理模块的一个n位数据接口可读取mn个感光器单元的光照信息；比较器输出电平反映每个感光器单元所接收光照的强度，若比较器输出高电平则判断对应的感光器单元所接收光照的强度大，称该感光器单元为受激感光器，反之则称其为未受激感光器；m＝0,…M-1，n＝0,…N-1；其中，N表示感光器环形阵列数量，M表示每个感光器环形阵列中感光器单元的数量；

数据处理模块用于根据受激感光器所在的感光器环形阵列和感光器轴向阵列的序号获得每个受激感光器坐标，从而获取液面边界椭圆方程，进而计算液面椭圆边界的长半轴a，基于a值和已知的圆柱容器半径R值计算圆柱容器底面与水平面的夹角即仰角，根据液面法线向量计算圆柱容器轴线在水平面的投影方向即方位角；

其中，发光浮体包括盖板、底板、穿体螺栓、螺母、固定台、发光驱动电路板、发光二极管、电池盒、抛物面光罩和遮光环壁；盖板位于底板上方，穿体螺栓一端连接于盖板中心并向上穿出，另一端连接于底板中心并穿出后向下延伸，螺母设于穿体螺栓的下端，螺母的作用在于依靠其重力将发光浮体置于液体中且保持水平，采用不同数量、厚度和材质的螺母可将发光浮体在液中深度调节至最合适值，以保证光束贴近液面；固定台位于底板和盖板之间且固定于穿体螺栓，发光驱动电路板设于固定台上，电池盒设于底板中心且电连接于发光驱动电路板，抛物面光罩位于固定台外侧且抛物面光罩的凹面朝外，发光二极管电连接于发光驱动电路板且发光二极管设于抛物面光罩的凹面中的焦点位置，抛物面光罩用于保证光束形成平行光；遮光环壁的上下两端分别连接于盖板和底板的边沿，遮光环壁中部设有用于限制光束纵向宽度的透光环窗，以保证光束纵向宽度与感光器单元的直径相匹配。

2.根据权利要求1所述的浮体发光式倾仰角检测器，其特征在于：数据处理模块包括微处理器、显示器、扬声器和键盘，微处理器通过电连接于各个并转串逻辑单元输出端的数据接口读取调理后的每个感光管单元输出的光信息并进行倾斜角计算；显示器、扬声器和键盘均电连接于微处理器用于进行人机交互。

3.根据权利要求1所述的浮体发光式倾仰角检测器，其特征在于：液体体积为圆柱容器容积的一半。

4.浮体发光式倾仰角检测方法，其特征在于：采用权利要求1-3任一项所述的浮体发光式倾仰角检测器，所述检测方法步骤为：

步骤1：构建感光器单元的ID号向量集合I＝{(m,n)|m＝0,…M-1，n＝0,…N-1}，其中，N表示感光器环形阵列数量，M表示每个感光器环形阵列中感光器单元的数量；

步骤2：读取比较器输出电平矩阵U_M╳N，其元素表示为u_m,n，其中，m＝0,…M-1，n＝0,…N-1；

步骤3：构建I的子集I_active：I_active＝{(m,n)|u_m,n＝u_H,m＝0,…M-1，n＝0,…N-1},其中u_H表示高电平；

步骤4：基于I_active构建受激感光器坐标子集：C_active＝{(x_m,y_m,z_n)|(m,n)∈I_active,}；

步骤5：对C_active的每一元素进行赋值：x_m＝Rcos(2πm/M),y_m＝Rsin(2πm/M),z_n＝nd，其中R代表圆柱腔半径，d代表感光器环形阵列间距；

步骤6：基于最小二乘法求解至C_active的各元素距离平方之和最小的平面P_a的方程z＝Ax+By+C的参数A、B和C；

步骤7：求解圆柱腔侧面与平面P_a的交线Elps的椭圆方程：

其中，R表示圆柱容器横截面半径；

步骤8：令x＝Rcosφ，y＝Rsinφ，代入上一步z的表达式，得到z关于φ的函数式z(φ)，基于z(φ)计算φ_H和φ_L的值：φ_H←argmax_φz(φ)，φ_L←argmin_φz(φ)；

步骤9：计算液面椭圆边界的长半轴a的值：

其中，L表示圆柱容器的长度；

步骤10：计算被测平面与水平面的夹角即仰角θ：θ←arccos(R/a)；

步骤11：计算被测平面倾斜朝向的方位角：

其中，

其中，[x_E′,y_E′,z_E′]为点E在液面上的投影E’的坐标，E为x轴正向延伸与圆柱面的交点，E和E’的坐标通过解析几何方法均可获得。