[发明专利]圆柱腔激光折射法倾仰角测试仪及测试方法

权利要求书

1.圆柱腔激光折射法倾仰角测试仪，其特征在于：包括信号采集模块、信号转换模块和控制处理模块；

信号采集模块包括圆柱腔(1)、液体(2)、激光发射管半环阵列(3)、感光管半环阵列组(4)和发射逻辑驱动电路(5)；圆柱腔(1)中注入液体(2)，液体(2)占有一半容积；圆柱腔(1)壁体分为上下两半，圆柱腔(1)下半部分中部沿壁体圆周嵌入激光发射管半环阵列(3)，激光发射管半环阵列(3)包括呈半环形均匀分布的若干发射管单元(301)；与激光发射管半环阵列(3)位于同一圆周的圆柱腔(1)上半部分嵌入一感光管半环阵列，然后沿轴向复制延伸至圆柱腔(1)两个端面，所有轴向均匀排列的感光管半环阵列构成感光管半环阵列组(4)，感光管半环阵列包括呈半环形均匀分布的若干感光管单元(401)；由于光束在液面发生折射且途中发生衍射，激光发射管半环阵列(3)的某一发射管单元(301)所发光束照射至感光管半环阵列组(4)中某一区域相邻的数个感光管单元(401)；发射逻辑驱动电路(5)电连接于发射管单元(301)；

信号转换模块包含放大滤波器(6)和电连接于放大滤波器(6)输出端的模数转换器(7)，放大滤波器(6)电连接于感光管单元(401)，模数转换器(7)输出端连接于控制处理模块；

控制处理模块包含微控制器(8)和电连接于微控制器(8)的信号输出单元，包含显示器(9)和语言播放器(10)，微控制器(8)还电连接于模数转换器(7)和发射逻辑驱动电路(5)；

感光管半环阵列组(4)每个感光管单元(401)的输出电流输入至对应放大滤波器(6)，放大滤波器(6)输出低噪模拟电压并由模数转换器(7)转换为数字电压后输出至微控制器(8)，微控制器(8)计算得到轴向倾角θ和绕轴仰角的测量结果并通过信号输出单元输出；

所述激光发射管半环阵列(3)中发射管单元(301)数量和感光管半环阵列组(4)中的每个感光管半环阵列所包含的感光管单元(401)数量相等，设为M，设置成奇数；感光管半环阵列组(4)所包含的感光管半环阵列的数量为N，设置成奇数；M和N设置得足够大，使相邻感光管单元(401)间距小于光束直径，以保证激光发射管半环阵列(3)中某一发射管单元(301)发光时，感光管半环阵列组(4)中至少一个感光管单元(401)受到光束覆盖；

所述液体(2)为折射率小于1/cosα的透明纯净液体(2)，其中α表示边界与端面圆周相切的圆柱腔(1)斜截面与端面的夹角。

2.根据权利要求1所述的圆柱腔激光折射法倾仰角测试仪，其特征在于：所述感光管单元(401)为PIN光电二极管。

3.根据权利要求1所述的圆柱腔激光折射法倾仰角测试仪，其特征在于：所述微控制器(8)采用单片机。

4.根据权利要求3所述的圆柱腔激光折射法倾仰角测试仪，其特征在于：所述微控制器(8)采用ARM处理器。

5.一种圆柱腔激光折射法倾仰角测试方法，其特征在于：采用权利要求1至4任一项所述的圆柱腔激光折射法倾仰角测试仪，所述测试方法为：

步骤1：微控制器(8)以0渐增至M-1对m进行赋值，在每次对m的赋值下，向发射逻辑驱动电路(5)发送启动发射指令；

步骤2：发射逻辑驱动电路(5)收到指令后进行译码，基于译码结果开启激光发射管半环阵列(3)的T(m)单元的驱动电路启动发射，关闭所有T(m’)单元，且m′≠m的驱动电路使其停止发射；

步骤3：微控制器(8)读取模数转换器(7)输出电压系列值，并进行大小排序，对其中的最大输出电压进行激励溯源，即，在感光管半环阵列组(4)中找到引起最大输出电压的激励源感光管单元(401)，将其视为有效感光管单元(401)，其余视为无效感光管单元(401)；

步骤4：微控制器(8)读取有效感光管单元(401)的索引号R(i,j)以判断T(m)是否位于圆柱腔(1)的底部母线上，判断方法如下：若j＝m，则作出T(m)位于底部母线的判断，对于满足j＝m的R(i,j)，执行如下赋值操作：

步骤5：计算轴向倾角θ，采用如下计算公式：

其中，d代表相邻感光管单元(401)的轴向间距，a₀代表圆柱腔(1)的高度，b₀代表圆柱腔(1)的直径，n_r代表液体(2)对空气的相对折射率；

步骤6：计算绕轴仰角采用如下计算公式：

其中，M代表发射管半环阵列中的发射管单元(301)数量，M设置成奇数。