基于光電檢測技術的氣泡式電子水準傳感器設計

摘 要：為了解決傳統(tǒng)的氣泡式水準器依靠肉眼測量誤差較大的問題，設計了一種基于光電檢測技術的氣泡式電子水準傳感器。首先，分析了氣泡式電子水準傳感器的測量原理，并計算了氣泡的尺寸；其次，設計了光電信號采集電路，將氣泡的傾斜角度轉化為模擬輸出電壓；然后，設計了信號轉化電路，將電壓信號轉換為角度數據并進行格式化輸出；最后，搭建傾斜角度實驗平臺對氣泡式電子水準傳感器進行了傾斜角度準確性驗證。結果表明：在測量范圍為[-0.3°，0.3°]時，該傳感器的角度測量輸出數值與實驗平臺的角度值基本一致，平均絕對差值的均值為±0.011 7°，平均相對誤差的均值為1.95%，精度較高。該傳感器將光電檢測技術與氣泡式水準器相結合，為水準測量提供了一種新的技術途徑。

關鍵詞：信號檢測;氣泡;水準器;紅外光電檢測;數字化;光電二極管;折射率

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：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

氣泡式水準器是一種用于測量和確保表面水平或垂直的工具，通過內部的液體和氣泡位置來指示物體的水平度或垂直度[1-2]。因其具有結構簡單、運行可靠等優(yōu)點，在建設工程、航空航海、工業(yè)自動化等領域有著廣泛的應用[3-10]。但是，在其使用過程中，被測物的水平度是通過肉眼觀測來確定的，而觀測時的觀測角度、視覺疲勞、相對經驗等因素，都會引起水平度讀數的估讀誤差，影響了觀測的準確性[11-12]。

隨著人工智能與自動化技術的發(fā)展，傳統(tǒng)氣泡式水準器也需要逐步實現智能化升級。相關學者在提高氣泡式水準器的測量精度及自動化讀數等方面開展了研究工作。宮哲等[13]研究了仿人工、精密仿型塊走弧和直線電機雙軸差補3種自動化打磨方式，提高了氣泡式水準器的制造精度與測量精度。彭偉康[14]提出了一種結合目標檢測和圖像處理技術的水準泡缺陷檢測方法，用于提高產品合格率及測量精度。汪進超等[15]利用計算機數字圖像處理技術，設計了一套水準泡傾斜合格檢測系統(tǒng)，基于機器視覺識別水泡位置和刻度值實現合格檢測，相比于傳統(tǒng)人工讀數更加高效、準確。上述研究表明，自動化、數字化和機器視覺技術的應用能夠顯著提高氣泡式水準器的產品質量和測量精度，但仍需靠肉眼觀測其水平度進行讀數。單曉杭等[16]設計了一種氣泡偏移量檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于機器視覺技術，通過圖像處理計算出氣泡在水平方向上的偏移程度，從而得到被測物的水平度，但結構復雜、造價較高等因素制約著其應用場景。

為提升氣泡式水準器的測量精度和操作便捷性，本文設計了一種基于光電檢測技術的氣泡式電子水準傳感器。該傳感器能夠實現非接觸式的傾斜角度檢測，并且無需使用肉眼觀測氣泡位置，可直接輸出被測物的傾斜角度，提高了測量的精度和靈敏度，減少了測量誤差。

1 氣泡式電子水準傳感器結構

氣泡式電子水準傳感器由外殼、PCB板、注液腔體及氣泡等部分組成，其截面結構示意圖如圖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，用于接收光電信號并進行數字轉換后輸出；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密閉空間，其中上層玻璃的內壁頂面打磨成弧狀，內部灌制填充液，由此可形成一個氣泡。當紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光透過填充液及水泡后，由紅外接收管接收到紅外光信號，當傳感器發(fā)生傾斜后，氣泡移動位置，紅外接收管接收到的光強會發(fā)生變化，根據該特性設計信號采集電路，將采集到的光強信號進行處理并計算，得出傾斜角度。

2 氣泡式電子水準傳感器設計

2.1 測量原理

氣泡式電子水準傳感器的角度測量實現基于紅外光電檢測技術原理[17]。當氣泡位置發(fā)生變化時，紅外光透過填充液與氣泡的光亮度發(fā)生變化，基于此能夠檢測到氣泡當前位置，并將其轉換成偏移位置的模擬電壓信號，實現被測物的水準度和傾斜角度的數字化測量。

氣泡的尺寸由填充液的注液量來決定，如果形成的氣泡過小，在其位置變化時會形成檢測盲區(qū)；如果氣泡過大，則會使傳感器的檢測量程減小。因此，氣泡尺寸需進行計算，才可使傳感器實現最佳的檢測量程及靈敏度。

如圖2所示，氣泡的直徑恰好在紅外光照射邊緣之內為最佳，即直徑Φ=L1+L2+L3。由于紅外發(fā)射管處于整個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，其傳輸角度會發(fā)生變化。根據斯涅爾定律，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；在實際設計中，填充液高度H1=6 mm。求得L1= L3=3.82 mm。

圖中L2長度的計算公式為

式中：H2為紅外發(fā)射管發(fā)光點距填充液液面的高度，實際設計為1.5 mm，求得L2=5.20 mm。

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

2.2 電路分析與設計

氣泡式電子水準傳感器的X軸、Y軸光電信號采集電路原理相同，故圖3僅示出X軸的信號采集電路。電路中D3為紅外發(fā)射管（IR67-21C/TR8，臺灣億光電子工業(yè)股份有限公司提供），用作發(fā)射紅外光的光源；為保證光源信號的穩(wěn)定性，使用15 mA恒流源1A15進行供電；平面光電二極管D1、D2（PD70-01B/TR7，臺灣億光電子工業(yè)股份有限公司提供）為紅外接收管，分別用于同軸內正向和負向的傾斜度檢測；運算放大器U1（LM358，德州儀器提供），用于將輸入的微小信號進行放大后輸出，使其達到足夠的幅度，以便于后續(xù)信號采集電路的處理；輸出信號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接收到的光照越強時，其內部產生的電流越大[19]。因此，使用2個紅外接收管D1和D2，根據其特性設計電路，可使氣泡在不同位置時輸出的電壓信號發(fā)生改變。

氣泡式電子水準傳感器在測量過程中，當氣泡在傳感器量程的負角度位置時（見圖4 a）），紅外接收管D1接收到的光強大于D2接收到的光強，因此電流ID1gt;ID2，根據其電氣特性，等效電路如圖5 a）所示，運算放大器的供電電壓為VCC，此時運算放大器輸出電壓VOUT為0 V～0.5 VCC；當氣泡處于圖4 b）所在位置時，可認為傳感器測量的為水平位置，此時紅外接收管D1和D2接收到的光強一樣，因此電流ID1= ID2，根據其電氣特性，等效電路如圖5 b）所示，此時運算放大器輸出電壓VOUT=0.5 VCC；當氣泡在傳感器量程的正角度位置時（見圖4 c）），紅外接收管D2接收到的光強大于D1接收到的光強，因此電流ID1lt;ID2，根據其電氣特性，等效電路如圖5 c）所示，此時運算放大器輸出電壓VOUT=（0.5～1.0） VCC。整個量程的角度的模擬輸出特性如圖6所示。

2.3 信號輸出

將X軸和Y軸的輸出電壓信號VOUT進行一系列處理后，能夠將其轉換成角度數據并進行輸出，轉換過程如圖7所示。MCU型號為GD32E230F8P6（兆易創(chuàng)新科技集團股份有限公司提供），可滿足數據采集、存儲、處理、轉換等需求。X軸和Y軸的模擬信號VOUT經MCU內置的12位A/D轉換器轉換成數字信號后，通過式（5）進行計算得出測量角度值，再通過RS232通信電路轉化為滿足RS232協(xié)議的角度數據進行輸出。

VOUT還可根據實際需求經過MCU的處理轉換成其他格式的數據進行輸出，如水平單位mm/m等。

3 實驗過程與結果分析

3.1 實驗過程

搭建傾斜角度實驗平臺，包括上位機、驅動電路、電動角位臺等部分，示意圖如圖8所示，實物圖如圖9所示。

傾斜角度實驗平臺的電動角位臺為X/Y雙軸電動微調俯仰平臺（香河納特光學儀器科技有限公司提供），參數見表1。

上位機為筆記本電腦（Swfit3，宏碁股份有限公司提供）。上位機設置俯仰角度，產生的脈沖信號通過驅動電路（河北省自動化研究所有限公司提供）控制角位臺的步進電機轉動[20]。角位臺每接收一個脈沖，轉動0.000 714 3°，即2.57″，可實現旋轉角度的精確控制。氣泡式電子水準傳感器放置于角位臺臺面上，當角位臺轉動產生傾角時，該傳感器也隨之發(fā)生傾斜，并輸出檢測到的角度信號。將信號通過RS232協(xié)議傳輸至上位機，可精確地進行傳感器測量角度與角位臺旋轉角度的對比。傳感器實物圖如圖10所示，參數見表2。

傾斜角度實驗包括正向連續(xù)角度變化實驗、正向階躍角度變化實驗、反向連續(xù)角度變化實驗、反向階躍角度變化實驗。正向連續(xù)角度變化實驗過程為

動角位臺從-0.3°連續(xù)勻速轉動到+0.3°，進行角位臺傾角和電子水準傳感器角度測量值的對比；正向階躍角度變化實驗過程為電動角位臺從-0.3°轉動到+0.3°的過程中，以0.1°的步長階躍轉動，進行角位臺傾角和電子水準傳感器角度測量值的對比；反向連續(xù)角度變化實驗過程為電動角位臺從+0.3°連續(xù)勻速轉動到-0.3°，進行角位臺傾角和電子水準傳感器角度測量值的對比；反向階躍角度變化實驗過程為電動角位臺從+0.3°轉動到-0.3°的過程中，以0.1°的步長階躍轉動，進行角位臺傾角和電子水準傳感器角度測量值的對比。實驗的數據采樣頻率均為200 Hz。

3.2 實驗結果與分析

傾斜角度實驗平臺的角位臺旋轉角度與電子水準傳感器測量輸出角度數據對比曲線圖如圖11所示。

圖11 a）、圖11 b）、圖11 c）、圖11 d） 分別為實驗平臺沿X、Y軸做正向連續(xù)、階躍運動時，角位臺與電子水準傳感器的角度數據曲線圖；圖11 e）、圖11 f）、圖11 g）、圖11 h）分別為實驗平臺沿X、Y軸做反向的連續(xù)、階躍運動時，角位臺與電子水準傳感器的角度數據曲線圖。

由圖11可知，在連續(xù)運動狀態(tài)下，氣泡式電子水準傳感器的角度測量輸出數值與實驗平臺的角位臺角度值基本一致，變化規(guī)律相吻合；在階躍運動狀態(tài)下，氣泡式電子水準傳感器的角度測量輸出數值有明顯的階躍響應曲線特征[21]，且與角位臺的運動規(guī)律相吻合。通過數據統(tǒng)計，氣泡式電子水準傳感器的角度測量輸出數值與實驗平臺的角位臺角度值對比如表3所示。

傳感器的角度測量輸出數值與角位臺角度值的平均絕對差值的均值為±0.001 17°。在連續(xù)運動狀態(tài)下，傳感器角度測量輸出數值與角位臺角度值的平均相對誤差的均值為1.27%；階躍運動狀態(tài)下，傳感器角度測量輸出數值與角位臺角度值的平均相對誤差的均值為2.64%，整體平均相對誤差的均值為1.95%。階躍運動狀態(tài)的測量誤差明顯高于連續(xù)運動狀態(tài)，經分析認為是由于液體介質和氣泡在運動狀態(tài)下急停時會產生晃動而影響了信號輸出等原因引起的。此外，在實驗過程中，即使角位臺的角度不變，電子水準傳感器內部的電子元件噪聲、液體介質的微小流動或氣泡的微小晃動等因素，也會導致測量結果的分散性增加，使輸出的角度值在一定范圍內微小波動而引起測量誤差，對測量結果的準確性有一定的影響。如何采用算法補償或電路補償的方式來減小不確定度，更好地降低誤差是后續(xù)研究工作的重要內容。

4 結 語

針對傳統(tǒng)氣泡式水準器在高精度測量場景下因肉眼觀測導致誤差較大的問題，本文設計了一種基于紅外光電檢測技術的氣泡式電子水準傳感器，提升了氣泡式水準器的測量精度和操作便捷性。主要結論如下。

1）該傳感器通過將光電檢測技術與氣泡式水準器相結合，可使傾斜角度的指示和測量數字化、具體化，為水準測量提供新的技術手段。

2）在測量范圍為[-0.3°，0.3°]時，該傳感器的輸出角度數據與角位臺角度值的平均絕對差值的均值為±0.011 7°，平均相對誤差的均值為1.95%，精度較高。

氣泡式電子水準傳感器為水準測量提供了新的技術途徑，但其量程較小，且角度值的輸出精度很大程度上依賴于液體介質和玻璃表面打磨精度。后續(xù)研究需要優(yōu)化傳感器結構和電路設計，進一步提高測量精度，減小整體測量誤差，并進行多傳感器融合技術的研究，提高測量系統(tǒng)的可靠性和準確性，以適應更加復雜的測量場景。

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收稿日期：2024-10-14;修回日期：2024-12-30；責任編輯：丁軍苗

基金項目：河北省科學院科技計劃項目（24A02）

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

趙旭，王帥，張?zhí)稞?基于光電檢測技術的氣泡式電子水準傳感器設計［J］.河北工業(yè)科技，2025，42（1）：88-94.

ZHAO Xu，WANG Shuai，ZHANG Tianlong. Design of bubble electronic level sensor based on optoelectronic detection technology［J］. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2025，42（1）：88-94.