[发明专利]光电加速度计和光电水平仪及其制造方法

说明书

本发明涉及加速度计和水平仪及其制造方法。

现有世界上的加速度计因属于高科技的产品价格昂贵，所以很少人用来代替民用的水平仪。

现今的加速度计内都有一个重力传感体。固定在转动的电磁扭动器的动臂上，还有一个电感性位置检测器。当加速度计受到加速作用时，因重力传感体要保持原有的状态。所以重力传感体相对于电磁扭动器的定子产生了位移，此位移量会使电感位置检测器的电感产生变化，再将电感变化量转变成直流信号控制电磁扭动器的动臂，令该重力传感体扭回，使之相对于电磁扭动器的定子不产生位移。这种扭回的电磁力与所受到的加速度成正比，其关系式为F＝m.a，式中m为重力传感器的质量，a为加速度，F为电磁力。因为电磁扭动器的动臂和定子之间存在机械摩擦，所以影响加速度计的最高灵敏度。更重要的是电感式位置检测器，需要把交流电信号转变成直流信号，第一线路复杂，第二电感量敏感于温度的变化引起读数误差，第三在交流变直流的过程中需要积分电容器，该电容器造成电磁扭动器的延时，而造成误差，甚至引起电磁扭动器的振荡扭动，严重地影响整机的特性。

本发明的一个目的是提供光电加速度计和光电水平仪。

本发明的另一个目的是提供一种采用光电位移传感器，用弹性金属片与线圈和挡光板固定连接，用光电信号来控制挡光板使其产生与加速度或倾斜角成正比的电压，来表示加速或倾斜角的大小。

本发明是采用光电位位移检测器，代替电感式位移检测器，采用弹性片固定重力传感器的线圈包，来代替表头式电磁扭动器。因此，避免了机械摩擦，消除了误差，提高了灵敏度。降低了成本，以至于能把其作为电子水平仪，代替常用的水珠型水平仪，本发明的光电水平仪具有精度高，能显示倾斜角度的优点。

以下参照附图（1）来说明本发明的结构和工作原理。

线圈包（3）（3′）为正向串联的两个线圈，之所以分成两个是为了固定方便其原理完全可作为一个线圈来理解，当线圈通电后一端产生N磁极，另一端产生S磁极，其串联后的两个输出端分别焊接在弹性金属薄片（1）（1′）上，以薄片（1）（1′）为导线与电路板（6）相通。挡光板（4）与线圈（3）（3′）固定联接。线圈包在未通电时，在硬磁铁（7）和（7′）中沿着箭头P′和P的方向有一定的间隙。即可以自由运动。硬磁铁（7）和（7′）为一种不导电的硬磁材料制成。其磁性的极性为反向串联，即与线圈包（3）（3′）所接近的两端都为N极或都为S极。光发射器（10）（10′）和光接收器（9）（9′）安装的位置应符合以下条件：（a）当本发明的装置以水平放置时，光发射器（10）（10′）通过挡光板的光量能令光接收器（9）（9′）所呈现的内阻相等（b）当本发明的装置所放置的角度与水平面有一微小的夹角时，挡光板和线圈包的位移量必须令光接收器（9）的内阻增加或减少，同时也令光接收器（9′）的内阻减少或增加。这样，输入到电路板（6）的电压信号就产生变化（参看电路板的简图），经过放大后，令输送到线圈（3）和（3′）的电流所产生的电磁力能克服挡光板的位移量，使其保持在水平放置时的位置，这一产生电磁力的电流就与本发明装置的倾斜角度成如下的关系式，I.N＝m.Sinβ.g，式中I为通过线圈包（3）（3′）的电流，N为线圈包（3）（3′）的总匝数，m为线圈包（3）（3′），金属薄片（1）（1′）和挡光板（4）三者质量的总和，g为重力加速度，β为倾斜角。因为N.m.和g三者为固定量，所以倾斜角β与通过线圈的电流成正比。根据牛顿定律F＝m.a的关系式，沿P′或P方向的加速度a的大小和电流大小成如下的关系I.N＝m.a，式中a为水平方向的加速度，I、N和m的定义与上式相同，因为m和N为定值，所以通过线圈包的电流I的值与水平方向加速度a的值成正比。电流I的值通过电路板（6）中的电阻R₂变换成电压，如果直接输出到Vout1端，可以读到水平方向的加速度的值。因倾斜角的值，实质上是物体的重力加速度g在该倾斜角时的分力F＝m.g.sinβ，所以与倾斜角为β时的电压值必然符合如下关系。

β＝Sin^-1(在倾斜角为β时的电压值)/(在倾斜角为90°的电压值) ，如果把倾斜角为90°时的输出电压值设定为60mv，则倾斜0至30°时的输出电压值约等于0-30mv，如果要求倾斜角度与输出值完全对应，可依照以上等式进行补偿，然后从Vout2端输出，因该补偿电路不是本发明的内容，所以不在这里详述。