摘 要：為了解決傳統(tǒng)的氣泡式水準(zhǔn)器依靠肉眼測(cè)量誤差較大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于光電檢測(cè)技術(shù)的氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器。首先，分析了氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器的測(cè)量原理，并計(jì)算了氣泡的尺寸；其次，設(shè)計(jì)了光電信號(hào)采集電路，將氣泡的傾斜角度轉(zhuǎn)化為模擬輸出電壓；然后，設(shè)計(jì)了信號(hào)轉(zhuǎn)化電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為角度數(shù)據(jù)并進(jìn)行格式化輸出；最后，搭建傾斜角度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器進(jìn)行了傾斜角度準(zhǔn)確性驗(yàn)證。結(jié)果表明：在測(cè)量范圍為[-0.3°，0.3°]時(shí)，該傳感器的角度測(cè)量輸出數(shù)值與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的角度值基本一致，平均絕對(duì)差值的均值為±0.011 7°，平均相對(duì)誤差的均值為1.95%，精度較高。該傳感器將光電檢測(cè)技術(shù)與氣泡式水準(zhǔn)器相結(jié)合，為水準(zhǔn)測(cè)量提供了一種新的技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞：信號(hào)檢測(cè);氣泡;水準(zhǔn)器;紅外光電檢測(cè);數(shù)字化;光電二極管;折射率

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI： 10.7535/hbgykj.2025yx01011

Design of bubble electronic level sensor based on optoelectronic detection technology

ZHAO Xu1，2，WANG Shuai1，2， ZHANG Tianlong1，2

（1.Hebei Automation Research Institute Company Limited，Shijiazhuang，Hebei 050081，China; 2.Hebei Industrial Measure-ment and Control Technology Innovation Center， Shijiazhuang， Hebei 050081，China）

Abstract：In order to solve the problem of large measurement errors of traditional bubble level relying on the naked eye， a bubble electronic level sensor based on photoelectric detection technology was designed. Firstly， the measurement principle of the bubble type electronic level sensor was analyzed and the bubble size was calculated; Secondly， the photoelectric signal acquisition circuit was designed to convert the tilt angle of the bubble into an analog output voltage; Then， a signal conversion circuit was designed to convert the voltage signal into angle data and format it for output; Finally， a tilt angle experimental platform was built to verify the accuracy of the tilt angle of the bubble electronic level sensor. The results show that when the measurement range is [-0.3°，0.3°]， the angle measurement output value of the sensor is basically consistent with the angle value of the experimental platform， with the average absolute error of ±0.011 7°and an average relative error of 1.95%， indicating high accuracy. The sensor combines photoelectric detection technology with bubble level， which provides a new technical approach for leveling measurement.

Keywords：signal detection; bubble; level; infrared photoelectric detection; digitization; photodiode; refractive index

氣泡式水準(zhǔn)器是一種用于測(cè)量和確保表面水平或垂直的工具，通過(guò)內(nèi)部的液體和氣泡位置來(lái)指示物體的水平度或垂直度[1-2]。因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在建設(shè)工程、航空航海、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3-10]。但是，在其使用過(guò)程中，被測(cè)物的水平度是通過(guò)肉眼觀(guān)測(cè)來(lái)確定的，而觀(guān)測(cè)時(shí)的觀(guān)測(cè)角度、視覺(jué)疲勞、相對(duì)經(jīng)驗(yàn)等因素，都會(huì)引起水平度讀數(shù)的估讀誤差，影響了觀(guān)測(cè)的準(zhǔn)確性[11-12]。

隨著人工智能與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)氣泡式水準(zhǔn)器也需要逐步實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)。相關(guān)學(xué)者在提高氣泡式水準(zhǔn)器的測(cè)量精度及自動(dòng)化讀數(shù)等方面開(kāi)展了研究工作。宮哲等[13]研究了仿人工、精密仿型塊走弧和直線(xiàn)電機(jī)雙軸差補(bǔ)3種自動(dòng)化打磨方式，提高了氣泡式水準(zhǔn)器的制造精度與測(cè)量精度。彭偉康[14]提出了一種結(jié)合目標(biāo)檢測(cè)和圖像處理技術(shù)的水準(zhǔn)泡缺陷檢測(cè)方法，用于提高產(chǎn)品合格率及測(cè)量精度。汪進(jìn)超等[15]利用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套水準(zhǔn)泡傾斜合格檢測(cè)系統(tǒng)，基于機(jī)器視覺(jué)識(shí)別水泡位置和刻度值實(shí)現(xiàn)合格檢測(cè)，相比于傳統(tǒng)人工讀數(shù)更加高效、準(zhǔn)確。上述研究表明，自動(dòng)化、數(shù)字化和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用能夠顯著提高氣泡式水準(zhǔn)器的產(chǎn)品質(zhì)量和測(cè)量精度，但仍需靠肉眼觀(guān)測(cè)其水平度進(jìn)行讀數(shù)。單曉杭等[16]設(shè)計(jì)了一種氣泡偏移量檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)圖像處理計(jì)算出氣泡在水平方向上的偏移程度，從而得到被測(cè)物的水平度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高等因素制約著其應(yīng)用場(chǎng)景。

為提升氣泡式水準(zhǔn)器的測(cè)量精度和操作便捷性，本文設(shè)計(jì)了一種基于光電檢測(cè)技術(shù)的氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器。該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式的傾斜角度檢測(cè)，并且無(wú)需使用肉眼觀(guān)測(cè)氣泡位置，可直接輸出被測(cè)物的傾斜角度，提高了測(cè)量的精度和靈敏度，減少了測(cè)量誤差。

1 氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器結(jié)構(gòu)

氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器由外殼、PCB板、注液腔體及氣泡等部分組成，其截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

傳感器外殼呈圓柱形，由密閉不透光鋁合金材料制成，下層PCB板安放于傳感器底面，載有紅外發(fā)射管，上電后發(fā)射視角為120°的紅外光；上層PCB板安放于傳感器表面，其底層載有紅外接收管，用于接收紅外光，頂層布置PCB板元器件，用于接收光電信號(hào)并進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換后輸出；傳感器中間部分為注液腔體，由上、下兩片隔離玻璃封閉出一個(gè)密閉空間，其中上層玻璃的內(nèi)壁頂面打磨成弧狀，內(nèi)部灌制填充液，由此可形成一個(gè)氣泡。當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光透過(guò)填充液及水泡后，由紅外接收管接收到紅外光信號(hào)，當(dāng)傳感器發(fā)生傾斜后，氣泡移動(dòng)位置，紅外接收管接收到的光強(qiáng)會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)該特性設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路，將采集到的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行處理并計(jì)算，得出傾斜角度。

2 氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量原理

氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器的角度測(cè)量實(shí)現(xiàn)基于紅外光電檢測(cè)技術(shù)原理[17]。當(dāng)氣泡位置發(fā)生變化時(shí)，紅外光透過(guò)填充液與氣泡的光亮度發(fā)生變化，基于此能夠檢測(cè)到氣泡當(dāng)前位置，并將其轉(zhuǎn)換成偏移位置的模擬電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物的水準(zhǔn)度和傾斜角度的數(shù)字化測(cè)量。

氣泡的尺寸由填充液的注液量來(lái)決定，如果形成的氣泡過(guò)小，在其位置變化時(shí)會(huì)形成檢測(cè)盲區(qū)；如果氣泡過(guò)大，則會(huì)使傳感器的檢測(cè)量程減小。因此，氣泡尺寸需進(jìn)行計(jì)算，才可使傳感器實(shí)現(xiàn)最佳的檢測(cè)量程及靈敏度。

如圖2所示，氣泡的直徑恰好在紅外光照射邊緣之內(nèi)為最佳，即直徑Φ=L1+L2+L3。由于紅外發(fā)射管處于整個(gè)傳感器的正圓心位置，則

式中：H1為填充液高度，mm；θ2為折射角度，（°）。

當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光從空氣中入射到填充液中時(shí)，其傳輸角度會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)斯涅爾定律，入射角度和折射角度公式如式（2）所示[18]。

式中：n1為光在空氣中的折射率；θ1為光的入射角；n2為光在填充液中的折射率。

將式（2）代入式（1）中，可得

式中：取n1=1；由于選擇的紅外發(fā)射管視角為120°，因此取θ1=60°；由于填充液為酒精、乙二醇與水的混合物，因此光在填充液中的折射率取n2=1.36；在實(shí)際設(shè)計(jì)中，填充液高度H1=6 mm。求得L1= L3=3.82 mm。

圖中L2長(zhǎng)度的計(jì)算公式為

式中：H2為紅外發(fā)射管發(fā)光點(diǎn)距填充液液面的高度，實(shí)際設(shè)計(jì)為1.5 mm，求得L2=5.20 mm。

由此得出氣泡直徑Φ=L1+L2+L3=12.84 mm，在實(shí)際制造時(shí)氣泡直徑Φ=12 mm。

2.2 電路分析與設(shè)計(jì)

氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器的X軸、Y軸光電信號(hào)采集電路原理相同，故圖3僅示出X軸的信號(hào)采集電路。電路中D3為紅外發(fā)射管（IR67-21C/TR8，臺(tái)灣億光電子工業(yè)股份有限公司提供），用作發(fā)射紅外光的光源；為保證光源信號(hào)的穩(wěn)定性，使用15 mA恒流源1A15進(jìn)行供電；平面光電二極管D1、D2（PD70-01B/TR7，臺(tái)灣億光電子工業(yè)股份有限公司提供）為紅外接收管，分別用于同軸內(nèi)正向和負(fù)向的傾斜度檢測(cè)；運(yùn)算放大器U1（LM358，德州儀器提供），用于將輸入的微小信號(hào)進(jìn)行放大后輸出，使其達(dá)到足夠的幅度，以便于后續(xù)信號(hào)采集電路的處理；輸出信號(hào)VOUT隨氣泡所在位置的變化而變化。

紅外接收管的電氣特性為當(dāng)接收到的光照越強(qiáng)時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的電流越大[19]。因此，使用2個(gè)紅外接收管D1和D2，根據(jù)其特性設(shè)計(jì)電路，可使氣泡在不同位置時(shí)輸出的電壓信號(hào)發(fā)生改變。

氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)氣泡在傳感器量程的負(fù)角度位置時(shí)（見(jiàn)圖4 a）），紅外接收管D1接收到的光強(qiáng)大于D2接收到的光強(qiáng)，因此電流ID1gt;ID2，根據(jù)其電氣特性，等效電路如圖5 a）所示，運(yùn)算放大器的供電電壓為VCC，此時(shí)運(yùn)算放大器輸出電壓VOUT為0 V～0.5 VCC；當(dāng)氣泡處于圖4 b）所在位置時(shí)，可認(rèn)為傳感器測(cè)量的為水平位置，此時(shí)紅外接收管D1和D2接收到的光強(qiáng)一樣，因此電流ID1= ID2，根據(jù)其電氣特性，等效電路如圖5 b）所示，此時(shí)運(yùn)算放大器輸出電壓VOUT=0.5 VCC；當(dāng)氣泡在傳感器量程的正角度位置時(shí)（見(jiàn)圖4 c）），紅外接收管D2接收到的光強(qiáng)大于D1接收到的光強(qiáng)，因此電流ID1lt;ID2，根據(jù)其電氣特性，等效電路如圖5 c）所示，此時(shí)運(yùn)算放大器輸出電壓VOUT=（0.5～1.0） VCC。整個(gè)量程的角度的模擬輸出特性如圖6所示。

2.3 信號(hào)輸出

將X軸和Y軸的輸出電壓信號(hào)VOUT進(jìn)行一系列處理后，能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成角度數(shù)據(jù)并進(jìn)行輸出，轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖7所示。MCU型號(hào)為GD32E230F8P6（兆易創(chuàng)新科技集團(tuán)股份有限公司提供），可滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)換等需求。X軸和Y軸的模擬信號(hào)VOUT經(jīng)MCU內(nèi)置的12位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)式（5）進(jìn)行計(jì)算得出測(cè)量角度值，再通過(guò)RS232通信電路轉(zhuǎn)化為滿(mǎn)足RS232協(xié)議的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。

VOUT還可根據(jù)實(shí)際需求經(jīng)過(guò)MCU的處理轉(zhuǎn)換成其他格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，如水平單位mm/m等。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

搭建傾斜角度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、電動(dòng)角位臺(tái)等部分，示意圖如圖8所示，實(shí)物圖如圖9所示。

傾斜角度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電動(dòng)角位臺(tái)為X/Y雙軸電動(dòng)微調(diào)俯仰平臺(tái)（香河納特光學(xué)儀器科技有限公司提供），參數(shù)見(jiàn)表1。

上位機(jī)為筆記本電腦（Swfit3，宏碁股份有限公司提供）。上位機(jī)設(shè)置俯仰角度，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路（河北省自動(dòng)化研究所有限公司提供）控制角位臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[20]。角位臺(tái)每接收一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)動(dòng)0.000 714 3°，即2.57″，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度的精確控制。氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器放置于角位臺(tái)臺(tái)面上，當(dāng)角位臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生傾角時(shí)，該傳感器也隨之發(fā)生傾斜，并輸出檢測(cè)到的角度信號(hào)。將信號(hào)通過(guò)RS232協(xié)議傳輸至上位機(jī)，可精確地進(jìn)行傳感器測(cè)量角度與角位臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度的對(duì)比。傳感器實(shí)物圖如圖10所示，參數(shù)見(jiàn)表2。

傾斜角度實(shí)驗(yàn)包括正向連續(xù)角度變化實(shí)驗(yàn)、正向階躍角度變化實(shí)驗(yàn)、反向連續(xù)角度變化實(shí)驗(yàn)、反向階躍角度變化實(shí)驗(yàn)。正向連續(xù)角度變化實(shí)驗(yàn)過(guò)程為

動(dòng)角位臺(tái)從-0.3°連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)到+0.3°，進(jìn)行角位臺(tái)傾角和電子水準(zhǔn)傳感器角度測(cè)量值的對(duì)比；正向階躍角度變化實(shí)驗(yàn)過(guò)程為電動(dòng)角位臺(tái)從-0.3°轉(zhuǎn)動(dòng)到+0.3°的過(guò)程中，以0.1°的步長(zhǎng)階躍轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行角位臺(tái)傾角和電子水準(zhǔn)傳感器角度測(cè)量值的對(duì)比；反向連續(xù)角度變化實(shí)驗(yàn)過(guò)程為電動(dòng)角位臺(tái)從+0.3°連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)到-0.3°，進(jìn)行角位臺(tái)傾角和電子水準(zhǔn)傳感器角度測(cè)量值的對(duì)比；反向階躍角度變化實(shí)驗(yàn)過(guò)程為電動(dòng)角位臺(tái)從+0.3°轉(zhuǎn)動(dòng)到-0.3°的過(guò)程中，以0.1°的步長(zhǎng)階躍轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行角位臺(tái)傾角和電子水準(zhǔn)傳感器角度測(cè)量值的對(duì)比。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采樣頻率均為200 Hz。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

傾斜角度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的角位臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度與電子水準(zhǔn)傳感器測(cè)量輸出角度數(shù)據(jù)對(duì)比曲線(xiàn)圖如圖11所示。

圖11 a）、圖11 b）、圖11 c）、圖11 d） 分別為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沿X、Y軸做正向連續(xù)、階躍運(yùn)動(dòng)時(shí)，角位臺(tái)與電子水準(zhǔn)傳感器的角度數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖；圖11 e）、圖11 f）、圖11 g）、圖11 h）分別為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沿X、Y軸做反向的連續(xù)、階躍運(yùn)動(dòng)時(shí)，角位臺(tái)與電子水準(zhǔn)傳感器的角度數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖。

由圖11可知，在連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器的角度測(cè)量輸出數(shù)值與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的角位臺(tái)角度值基本一致，變化規(guī)律相吻合；在階躍運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器的角度測(cè)量輸出數(shù)值有明顯的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)特征[21]，且與角位臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相吻合。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器的角度測(cè)量輸出數(shù)值與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的角位臺(tái)角度值對(duì)比如表3所示。

傳感器的角度測(cè)量輸出數(shù)值與角位臺(tái)角度值的平均絕對(duì)差值的均值為±0.001 17°。在連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，傳感器角度測(cè)量輸出數(shù)值與角位臺(tái)角度值的平均相對(duì)誤差的均值為1.27%；階躍運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，傳感器角度測(cè)量輸出數(shù)值與角位臺(tái)角度值的平均相對(duì)誤差的均值為2.64%，整體平均相對(duì)誤差的均值為1.95%。階躍運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量誤差明顯高于連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)分析認(rèn)為是由于液體介質(zhì)和氣泡在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下急停時(shí)會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)而影響了信號(hào)輸出等原因引起的。此外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，即使角位臺(tái)的角度不變，電子水準(zhǔn)傳感器內(nèi)部的電子元件噪聲、液體介質(zhì)的微小流動(dòng)或氣泡的微小晃動(dòng)等因素，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的分散性增加，使輸出的角度值在一定范圍內(nèi)微小波動(dòng)而引起測(cè)量誤差，對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性有一定的影響。如何采用算法補(bǔ)償或電路補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)減小不確定度，更好地降低誤差是后續(xù)研究工作的重要內(nèi)容。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)氣泡式水準(zhǔn)器在高精度測(cè)量場(chǎng)景下因肉眼觀(guān)測(cè)導(dǎo)致誤差較大的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于紅外光電檢測(cè)技術(shù)的氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器，提升了氣泡式水準(zhǔn)器的測(cè)量精度和操作便捷性。主要結(jié)論如下。

1）該傳感器通過(guò)將光電檢測(cè)技術(shù)與氣泡式水準(zhǔn)器相結(jié)合，可使傾斜角度的指示和測(cè)量數(shù)字化、具體化，為水準(zhǔn)測(cè)量提供新的技術(shù)手段。

2）在測(cè)量范圍為[-0.3°，0.3°]時(shí)，該傳感器的輸出角度數(shù)據(jù)與角位臺(tái)角度值的平均絕對(duì)差值的均值為±0.011 7°，平均相對(duì)誤差的均值為1.95%，精度較高。

氣泡式電子水準(zhǔn)傳感器為水準(zhǔn)測(cè)量提供了新的技術(shù)途徑，但其量程較小，且角度值的輸出精度很大程度上依賴(lài)于液體介質(zhì)和玻璃表面打磨精度。后續(xù)研究需要優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高測(cè)量精度，減小整體測(cè)量誤差，并進(jìn)行多傳感器融合技術(shù)的研究，提高測(cè)量系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，以適應(yīng)更加復(fù)雜的測(cè)量場(chǎng)景。

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收稿日期：2024-10-14;修回日期：2024-12-30；責(zé)任編輯：丁軍苗

基金項(xiàng)目：河北省科學(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目（24A02）

第一作者簡(jiǎn)介：趙旭（1975—），男，河北石家莊人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)及工業(yè)自動(dòng)化方面的研究。E-mail：yonlone@163.com

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