一种垂线式时钟倾角测量仪

摘要

本发明公开了一种垂线式时钟倾角测量仪，包括时钟部件、对重识别器、微控制器以及微进步进电机，其中，时钟部件的时针中部位置安装有光敏管，在时钟表盘中心轴处通过垂线悬挂一自由摆锤，垂线上与光敏管对应位置设置一反光标签，对重识别器一端与光敏管相连，另一端与微控制器相连，微控制器发出驱动信号以驱动微进步进电机转动；微进步进电机一端与秒针齿轮连接，通过微步进电机的转动带动秒针齿轮的转动，从而依次带动秒针、分针和时针的转动，直至所述光敏管与所述反光标签重合，即可从表盘读数直接读取倾斜角度。本发明公开的垂线式时钟倾角测量仪具有抗干扰能力强、测量精度高、体积小成本低的优点。

权利要求

1.一种垂线式时钟倾角测量仪，其特征在于，包括：

时钟部件(7)，包括带刻度线的时钟表盘、位于时钟表盘面上的时针(13)、分针(14)和秒针(15)，以及驱动这三者运动的齿轮结构；

设置在时针中部位置的光敏管(17)，通过垂线(16)悬挂在所述时钟表盘的中心轴处的自由摆锤(8)，位于所述垂线(16)上并与所述光敏管(17)对重位置设置的反光标签(18)；

对重识别器(24)，其一端与所述光敏管(17)相连，用于识别所述光敏管(17)与所述反光标签(18)是否重合，并发送信号至微控制器(23)；

微控制器(23)，其一端与所述对重识别器(24)相连，发出驱动信号以驱动微进步进电机转动，当所述光敏管(17)与所述反光标签(18)重合时，驱动信号停止；

微进步进电机(1)，其一端与所述微控制器(23)连接，另一端与所述齿轮结构相连，通过微步进电机的转动以带动齿轮结构转动，进而依次带动秒针(15)、分针(14)和时针(13)转动，直至所述光敏管(17)与所述反光标签(18)重合。

2.如权利要求1所述的垂线式时钟倾角测量仪，其特征在于，所述垂线式时钟倾角测量仪还包括读数模块(21)和显示模块(22)，读数模块(21)一端与微进步进电机(1)相连，另一端与显示模块(22)相连。

3.如权利要求1或2所述的垂线式时钟倾角测量仪，其特征在于，所述垂线式时钟倾角测量仪还包括与所述微控制器(23)相连的指示灯(27)，当所述光敏管(17)与所述反光标签(18)对重时，所述指示灯(27)为绿色；否则所述指示灯(27)为红色。

4.如权利要求1所述的垂线式时钟倾角测量仪，其特征在于，所述齿轮结构包括：与所述时针(13)轴连接的时针齿轮(4)、与所述分针(14)轴连接的分针齿轮(3)、与所述秒针(15)轴连接的秒针齿轮(2)、第一转换齿轮(5)和第二转换齿轮(6)；

所述秒针齿轮(2)与所述分针齿轮(3)通过位于这两者之间的所述第一转换齿轮(5)轴连接，所述分针齿轮(3)与所述时针齿轮(4)通过位于这两者之间的所述第二转换齿轮(6)轴连接。

5.如权利要求4所述的垂线式时钟倾角测量仪，其特征在于，所述垂线式时钟倾角测量仪还包括设置在所述时钟表盘顶端的调零旋钮(19)所述调零旋钮(19)与所述秒针齿轮(2)相连。

6.如权利要求4或5所述的垂线式时钟倾角测量仪，其特征在于，所述微进步进电机(1)与所述秒针齿轮(2)连接。

7.如权利要求4或5所述的垂线式时钟倾角测量仪，其特征在于，所述秒针齿轮(2)和所述分针齿轮(3)的齿数均为60齿，所述时针齿轮(4)的齿数为60齿或120齿，秒针转动一周，分针转动一小格；分针转动1周，时针转动一小格。

8.如权利要求7所述的垂线式时钟倾角测量仪，其特征在于，所述时针齿轮(4)的齿数为120齿时，时针转动一小格的角度为3°，分针转动一小格的角度为3′，秒针转动一小格的角度为3″。

说明书

一种垂线式时钟倾角测量仪

技术领域

[0001] 本发明属于工程测量领域，更具体地讲，涉及一种垂线式时钟倾角测量仪。

背景技术

[0002] 精密角度测量是几何量测量的一个重要分支，也是计量科学中发展较为完备的一个分支。角度测量技术分为静态测量和动态测量两种，某些静态测量技术仍然是动态测量的基础，一些动态测角技术可以实现静态测量。精密角度测量广泛应用于工程测量、航空航天、军事装备等领域，如陀螺转台、惯导平台、经纬仪、星体跟踪器、雷达、导弹发射架、空间望远镜、高精度数控机床、机器人等系统中都需要角度传感器，用于测量被测物体相对于某基准方位的绝对转角或相对于自身在不同时刻的相对转角。

[0003] 角度测量方法上，分为电学测量和机械测量两大类。其中，电学测量和机械测量都是以铅锤线为基准，前者测量电学参量改变，后者直接测量角度偏转，电学测量容易受测试环境电磁场干扰。机械式测量，当前有游标式，光电编码盘等，虽不受环境电磁场干扰，但精度低。急需开发抗干扰能力强、成本低、体积小、可靠性高的倾斜角度测量仪表。

发明内容

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种垂线式时钟倾角测量仪，其具有抗干扰能力强、精度高、体积小的特点。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种垂线式时钟倾角测量仪，其包括：

[0006] 时钟部件，包括带刻度线的时钟表盘、位于时钟表盘面上的时针、分针和秒针，以及驱动这三者运动的齿轮结构；

[0007] 设置在时针中部位置的光敏管，通过垂线悬挂在所述时钟表盘的中心轴处的自由摆锤，位于所述垂线上并与所述光敏管对重位置设置的反光标签；

[0008] 对重识别器，其一端与所述光敏管相连，用于识别所述光敏管与所述反光标签是否重合，并发送信号至微控制器；

[0009] 微控制器，其一端与所述对重识别器相连，发出驱动信号以驱动微进步进电机转动，当所述光敏管与所述反光标签重合时，驱动信号停止；

[0010] 微进步进电机，其一端与所述微控制器连接，另一端与所述齿轮结构相连，通过微步进电机的转动以带动齿轮结构转动，进而依次带动秒针、分针和时针转动，直至所述光敏管与所述反光标签重合。

[0011] 作为进一步优选地，所述垂线式时钟倾角测量仪还包括读数模块和显示模块，读数模块一端与微进步进电机相连，另一端与显示模块相连。

[0012] 作为进一步优选地，所述垂线式时钟倾角测量仪还包括与所述微控制器相连的指示灯，当所述光敏管与所述反光标签对重时，所述指示灯为绿色；否则所述指示灯为红色。

[0013] 作为进一步优选地，所述齿轮结构包括：与所述时针轴连接的时针齿轮、与所述分针轴连接的分针齿轮、与所述秒针轴连接的秒针齿轮、第一转换齿轮和第二转换齿轮；

[0014] 所述秒针齿轮与所述分针齿轮通过位于这两者之间的所述第一转换齿轮轴连接，所述分针齿轮与所述时针齿轮通过位于这两者之间的所述第二转换齿轮轴连接。

[0015] 作为进一步优选地，所述垂线式时钟倾角测量仪还包括设置在所述时钟表盘顶端的调零旋钮，所述调零旋钮与所述秒针齿轮相连。

[0016] 作为进一步优选地，所述微进步进电机与所述秒针齿轮连接。

[0017] 作为进一步优选地，所述秒针齿轮和所述分针齿轮的齿数均为60齿，所述时针齿轮的齿数为60齿或120齿，并且秒针转动一周，分针转动一小格；分针转动1周，时针转动一小格。

[0018] 作为进一步优选地，所述时针齿轮的齿数为120齿时，时针转动一小格的角度为3°，分针转动一小格的角度为3′，秒针转动一小格的角度为3″。

[0019] 工作时，通过调节时钟表盘上的调零装置使得时针、分针和秒针位于表盘零点，并保证光敏管与反光标签位置重合；将倾角仪置于待测面上，铅锤摆将在重力作用下运动，反光标签位置发生偏离，光敏管的电阻值随反光标签位置的变化而改变，对重识别器通过光敏管阻值的变化来识别反光标签与光敏管是否对重，当反光标签与光敏管未对重时，对重识别器发送识别信号至微控制器，微控制器开启并发送控制信号驱动微进步进电机转动，通过微进步进电机的转动带动秒针齿轮的转动，从而依次带动秒针、分针和时针的转动，直至光敏管与反光标签重合，指示灯亮，微控制器关闭，微进步进电机停止运动，此时，倾角读数可通过读数模块产生的测量信号借助显示模块显示或通过时针、分针和秒针的转动情况从表盘读数直接读取。

[0020] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

[0021] 1.抗干扰能力强：将时钟分级计量原理与倾角测量原理相结合，利用时钟的分级机械式计量实现倾斜角度的测量，由于时钟的分级机械式结构不易受电磁场等环境因素影响，使得该倾角仪具有良好的抗干扰能力；

[0022] 2.测量精度高：通过微控制器控制微进步进电机运动带动秒针齿轮转动使得光敏管与反光标签重合，响应较快；调整各个齿轮齿数、可实现倾斜角度的高精度测量；

[0023] 3.体积小成本低：时钟部件的规模化生产成本低，时钟部件结构本身的精准小巧实现体积小。

附图说明

[0024] 图1是本发明的垂线式时钟倾角测量仪总体结构示意图；

[0025] 图2是本发明的垂线式时钟倾角测量仪时钟齿轮结构示意图；

[0026] 图3是本发明的垂线式时钟倾角测量仪时钟表盘结构示意图；

[0027] 图4为本发明的垂线式时钟倾角测量仪摆锤和时针结构示意图；

[0028] 图5为本发明的垂线式时钟倾角测量仪对重识别电路图。

[0029] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

[0030] 1-微进步进电机，2-秒针齿轮，3-分针齿轮，4-时针齿轮，5-第一转换齿轮，6-第二转换齿轮，7-时钟部件，8-自由摆锤，13-时针，14-分针，15-秒针，16-垂线，17-光敏管，18-反光标签，19-调零旋钮，20-齿轮结构，21-读数模块，22-显示模块，23-微控制器，24-对重识别器，25-表盘指针，26-电源，27-指示灯。

具体实施方式

[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0032] 如图1所示的垂线式时钟倾角测量仪，包括时钟部件7、齿轮结构20、微进步进电机1、读数模块21、显示模块22、微控制器23以及对重识别器24，其中，时钟部件7包括带刻度线的时钟表盘、位于时钟表盘面上的时针13、分针14和秒针15，以及驱动这三者运动的齿轮结构20；在时钟表盘中心轴处通过垂线16悬挂一自由摆锤8；对重识别器24的一端与光敏管17相连，用于判断光敏管17与反光标签18是否重合，并发送控制信号至微控制器23；微控制器
23的一端与对重识别器24相连，发出驱动信号以驱动微进步进电机1转动，当光敏管17与反光标签18重合时，驱动信号停止；微进步进电机1的一端与齿轮结构20连接，另一端与微控制器23连接，通过微进步进电机1的转动带动秒针齿轮2的转动，从而依次带动秒针15、分针
14和时针13的转动，直至光敏管17与反光标签18重合，读数模块21与微进步进电机1相连，将其自动记录的微进步进电机步数(即时针、分针和秒针的运动角度)转化为待测面的倾斜角度，最终显示到与之相连的显示模块22，可直接显示所测得的待测面倾斜角度。该倾角测量仪既可通过时针、分针和秒针的转动情况从始终表盘读数读取倾斜角度，也可以通过显示模块直接读取。

[0033] 如图2所示的齿轮结构示意图，该齿轮结构包括：与所述时针13轴连接的时针齿轮4、与所述分针14轴连接的分针齿轮3、与所述秒针15轴连接的秒针齿轮2以及第一转换齿轮
5和第二转换齿轮6，其中，秒针齿轮2与分针齿轮3通过位于这两者之间的第一转换齿轮5轴连接，分针齿轮3与时针齿轮4通过位于这两者之间的第二转换齿轮6轴连接。分针和秒针齿轮采用钟表齿轮结构，时针齿轮依据测试精度进行设置，本实施例中，秒针齿轮2和分针齿轮3，分针和秒针齿轮2采用钟表齿轮结构，时针齿轮4可依据测试精度设置其齿数，齿数越多则测试精度越高。秒针走一周，分针走1格；分针走1周，时针走1格；分针和秒针齿轮同样采用钟表齿轮结构，譬如时针齿轮可依据测试精度，采用60或120齿的齿轮，使分针转1周，时针走1格。

[0034] 如图3所示斜线前的数字表示从零点0/0开始顺时针转向的读数，斜线后面的数字表示从零点0/0开始逆时针转向的读数，时钟表盘顶端设有一调零旋钮19，调零旋钮19与秒针齿轮2相连。当时针齿轮为120齿时，表盘读数时、分、秒针每运动一格分别表示运动角度为3°，3′和3″；当时针齿轮为60齿时，表盘读数时、分、秒针每运动一格分别表示运动角度为6°，6′和6″。

[0035] 如图4所示，在时针的中部位置安装有一光敏管17，在时钟表盘中心轴处通过垂线16悬挂一自由摆锤8，垂线16上设置一与光敏管17位置对应的反光标签18，即当时针13与垂线16均处于自由竖直向下时，时针13与垂线16完全重合，时针上的光敏管17与垂线上的反光标签18位置重合。

[0036] 图5所示为对重识别器的电路原理图，电源26分别给光敏管17与三极管供电，其中，电源16与光敏管17连接形成一条通电支路，三极管的基极与电源26相连，发射集接地，集电极与微控制器23相连，形成另一条通电支路。光照的改变使得流经光敏管17的电流发生改变，因而，位于另一通电支路的三极管基极电流随之变化。

[0037] 当光敏管被反光标签完全遮挡时，光敏管处于无光照状态，此时光敏管电阻较大，流经另一支路的电流增大，三极管处于截止状态，与三极管集电极相连的微控制器23接受到的截止信号；当光敏管未被反光标签挡住，光敏管处于有光照状态，此时光敏管电阻较小，流经另一支路的电流减小，三极管处于导通状态，与三极管集电极相连的微控制器23接受到的导通信信号。

[0038] 通过以上电路可以达到的效果是：对重状态下，时针13与垂线16重合，反光标签18挡住光敏管17，通过对重识别电路使微控制器23接收到截止信号，进而产生对重判断，识别为对重状态，与此同时，与微控制器23相连的指示灯产生绿色信号；未对重状态下，时针13与垂线16偏离，反光标签18未挡住光敏管17，通过对重识别电路使微控制器23接收到导通信号，进而产生对重判断，识别为未对重状态，与此同时与微控制器23相连的指示灯产生红色信号，微控制器23在时针13与垂线16偏离状态下驱动微进步进电机1转动，直至实现时针13与垂线16对重。

[0039] 本实施例中的微控制器23微控制器采用pic16c73单片机即可实现控制功能。工作时，通过调节时钟表盘上的调零旋钮19使得时针、分针和秒针位于表盘零点，并保证光敏管17与反光标签18位置重合，此时指示灯为绿色；将倾角仪置于待测面上，铅锤摆将在重力作用下运动，反光标签18位置发生偏离，光敏管17的电阻值随反光标签18位置的变化而改变，对重识别器24通过测量因光敏管17阻值的变化而引起的电流变化来识别反光标签18与光敏管17是否对重，当反光标签18与光敏管17未对重时(指示灯变为红色)，对重识别器24发送识别信号至微控制器23，微控制器23开启并发送控制信号驱动微进步进电机1转动，通过微步进电机1的转动带动秒针齿轮2的转动，从而依次带动秒针、分针和时针的转动，直至光敏管17与反光标签18重合，指示灯再次变为绿色，微控制器23关闭，微进步进电机1停止运动，此时，待测面倾斜角度的读数既可以通过时针、分针和秒针的转动情况从时钟表盘刻度上直接读取，又可通过读数模块21产生的测量信号借助显示模块22显示读取。

[0040] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。