CN100501443C - 倾角雷射尺系统及其量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种倾角雷射尺系统及其量测方法，该雷射尺系统包括一光发射模块；一光接收模块；一耦合模块，该耦合模块连接光发射模块及光接收模块；一倾角感测模块，该倾角感测模块可获得倾角雷射尺系统在水平方向的倾角讯号；一讯号处理模块，该讯号处理模块同时连接倾角感测模块、耦合模块、光发射模块及光接收模块，可接收各模块产生的讯号并进行运算；以及一显示屏，该显示屏连接讯号处理模块，并将讯号处理模块的运算处理结果显示出来。本发明所揭示的倾角雷射尺系统通过高精度的硬件部件及灵活的软件控制程序，可使倾角雷射尺系统方便地进行水平距离量测及高度量测，并可使测量结果达到较高的精度。

Description

倾角雷射尺系统及其量测方法

【技术领域】

本发明涉及一种雷射尺系统及其量测方法，尤指一种可简化距离量测的倾角雷射尺系统及其量测方法。

【背景技术】

雷射尺是一种距离量测仪器，可广泛应用于电力、水利、建筑、地质量测及体育运动等各领域。在量测使用时，雷射尺系统发射出激光至被测物，该激光经被测物反射后被雷射尺系统接收，并同时记录激光往返所花费的时间。雷射尺根据计算该往返时间和光速速率乘积的一半，即可得到雷射尺系统所在位置和被测物之间的直线距离。

美国专利公告第6,624,881号公开了一种现有的雷射尺距离量测装置。该雷射尺距离量测装置包括微控制处理单元、不可擦除存储器、数据存储器、键盘、显示屏、激光发射源及激光接收器。微控制处理单元可控制激光发射源向外界发送激光束，激光束遇到被测物体后反射折回而被激光接收器接收。微控制处理单元计算激光束的发送时间及其接收时间之间的时间差，并将此时间差乘上激光的传播速率从而计算出该雷射尺距离量测装置与被测物体的直线距离。相关的计算数据储存于数据存储器内，同时该计算结果显示于显示屏。操作者可通过键盘控制选择量测方式及校正算法来校正量测结果，校正算法储存于不可擦除存储器内。另外，量测装置还包括一数据传输接口，量测装置所测得之数据可通过该传输接口传输至外界的外围设备中。上述现有雷射尺距离量测装置可以方便地量测雷射尺所在位置距被测物体之间的直线距离，并可通过显示屏显示出量测结果。利用微控制处理器强大的数据处理功能，方便快捷地完成数据处理，同时，该装置还可通过设置多种校正算法，对量测结果进行算法校正，使量测结果更接近实际数据。

然而，在实际量测中，量测者不仅需要对水平距离进行量测，通常还需要对空间距离进行量测，这一点在建筑领域尤其常见。在建筑领域中，由于建筑物的构造为空间立体形状，故人们常常需要量测某些物体的高度。如图1所示，由于现有的雷射尺距离量测装置只能量测与雷射尺处于同一个水平面的物体至雷射尺的距离A及距离B，对于物体的空间高度C则必须先量测距离A及B，再通过几何关系运算才能得出。而实际量测中，假如A的路径上出现障碍物阻挡激光传播，则该距离量测装置无法测得空间高度C。而这种情况在实际的量测之中常常容易发生，因此给实际的工程量测带来诸多不便。

鉴于此原因，发明人提出一种新的设计方案，通过将现有的雷射尺距离量测装置与倾角感测仪器的组合来实现量测操作的简化。

申请人于2004年3月31日向美国专利商标局提交了一种关于倾角传感器的专利申请，其申请号为10/813065。该申请案揭露了一种倾角传感器的信号取样电路，适用于雷射水平仪中。该倾角传感器具有一输出引脚、于此输出引脚两侧对称设置一对第一输入引脚、一对第二输入引脚以及导通第一输入引脚与输出引脚及导通第二输入引脚与输出引脚的电解液。此信号取样电路包括信号发生模块、取样保持模块以及求差模块。信号发生模块等时序间隔地产生水平量测信号，依序多向交替输出至倾角传感器之第一输入引脚及第二输入引脚，使得此倾角传感器依序自各输出引脚输出对应的第一输出信号与第二输出信号。取样保持模块依序对第一输出信号与第二输出信号取样及保持，同时分别输出第一取样信号与第二取样信号。求差模块接收到上述第一取样信号与第二取样信号并求出二者之差值，而输出一水平量测结果信号至处理单元，以获知一水平方向的倾角数值。本发明中的倾角雷射尺将会采用到该前揭申请案中的若干技术。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种可简化距离量测的倾角雷射尺系统及其量测方法，其在高精度相位测距系统的基础上，结合水平传感器的技术，使得距离量测大大地简化。

本发明的另一目的在于提供一种新的倾角雷射尺系统及其量测方法，可量测被测物与水平方向的倾角，量测点至垂直面的水平距离，自动记录最短距离及某特定两点间的高度。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种倾角雷射尺系统，其包括一光发射模块；一光接收模块；一耦合模块，该耦合模块连接光发射模块及光接收模块；一倾角感测模块，该倾角感测模块可获得倾角雷射尺系统在水平方向的倾角信号；一信号处理模块，该信号处理模块同时连接倾角感测模块、耦合模块、光发射模块及光接收模块，可接收各模块产生的信号并进行运算；以及一显示屏，该显示屏连接信号处理模块，并可将信号处理模块的运算处理结果显示出来。

本发明提供的倾角雷射尺系统的量测方法包括如下步骤：

a)信号处理模块产生振荡信号控制光发射模块发射出激光；

b)光接受模块同时接受直接从光发射模块产生的激光束及经被测物反射回来的激光；

c)耦合模块将光接收模块接收的信号及信号处理模块产生的振荡信号耦合为相位信号；

d)信号处理模块接收并处理相位信号及倾角感测模块产生的倾角信号；以及

e)显示屏接收信号处理模块的运算处理结果，并显示。

与现有技术相比，本发明的倾角雷射尺系统方便、实用，其通过高精度的硬件部件及灵活的软件控制程序，可使倾角雷射尺系统方便地进行水平距离量测及高度量测，并可使量测结果达到较高的精度。

【附图说明】

图1为现有雷射尺距离量测装置在实际量测中的使用图示。

图2为依据本发明较佳实施例的倾角雷射尺系统的架构图。

图3为依据本发明较佳实施例的倾角雷射尺系统的原理图。

图4A为倾角雷射尺系统量测绝对水平距离的示意图；

图4B为倾角雷射尺系统进行扫描量测的示意图；

图4C为倾角雷射尺系统量测到垂直墙面距离的示意图；

图4D为倾角雷射尺系统量测两点间高度的示意图。

【具体实施方式】

请参照图2所示，依据本发明较佳实施例的一种倾角雷射尺系统的架构图，本发明的倾角雷射尺系统包括：一光发射模块25；一光接收模块26；一耦合模块24，该耦合模块24连接光发射模块25及光接收模块26；一倾角感测模块23，该倾角感测模块23可获得倾角雷射尺系统在水平方向的倾角信号；一信号处理模块22，该信号处理模块22同时连接倾角感测模块23、耦合模块24、光发射模块25及光接收模块26，接收各模块产生的信号并进行运算；以及一显示屏21，该显示屏连接信号处理模块22，可将信号处理模块22的运算处理结果显示出来。

该倾角雷射尺系统的量测方法，包括以下步骤：

a)信号处理模块22产生振荡信号控制光发射模块25发射出激光；

b)光接受模块26同时接受直接从光发射模块25产生的激光束及经被测物反射回来的激光；

c)耦合模块24将光接收模块26接收的信号及信号处理模块22产生的振荡信号耦合为相位信号；

d)信号处理模块22接收并处理相位信号及倾角感测模块23产生的倾角信号；以及

e)显示屏21接收信号处理模块22的运算处理结果，并显示。请进一步参照图3所示，该图所示为倾角雷射尺系统的原理图。其中，显示屏21与一数字信号处理芯片(Digital Signal Processor，DSP)221连接。DSP芯片221与一可编程逻辑器件(Complex ProgrammableLogic Device，CPLD)222及一压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCXD)223组成信号处理模块22。显示屏21接收DSP芯片产生的电信号，并将此信号显示出来。该显示屏21可以为发光二极管组成的显示屏，亦可为液晶显示屏。

信号处理模块22的DSP芯片221包括一处理单元2210和一模拟/数字转换器2211。可编程逻辑器件222包括频率合成器(FrequencySynthesizer)2221及开关2220、2222，该频率合成器2221及开关2220、2222分别与处理单元2210电性连接，并受处理单元2210的电信号控制。信号处理模块22还包括一压控振荡器223，该压控振荡器223连接频率合成器2221，并为该频率合成器2221提供振荡信号。另外，可编程逻辑器件222的开关2220、2222作动通过DSP芯片来控制完成。

倾角感测模块23连接信号处理模块22的DSP芯片221。此倾角感测模块23即为前述申请人于2004年3月31日向美国专利商标局提交的第10/813065号专利申请中所涉及的一种关于倾角传感器。该倾角感测模块23可将该雷射尺系统与水平方向的倾角转换成电流信号，此电流信号通过DSP芯片211之模拟/数字转换器2211转换为数字信号，以供DSP芯片211进行运算处理。

光发射模块25包括激光二极管驱动器(Laser Diode Driver)251及激光二极管(Laser Diode，LD)252。激光二极管252通过激光二极管驱动器251电性连接至可编程逻辑器件222，该激光二极管驱动件251受频率合成器2221产生的振荡信号控制，从而驱动激光二极管252发出激光束。

光接收模块26包括雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)261、基准雪崩光电二极管(RefAvalanche Photo Diode，RefAPD)263、带通滤波放大器(Band-Pass Filter and Amplifier，BPF and AMP)262、264及一高电位电压265。所述雪崩光电二极管261及基准雪崩光电二极管263可接收光信号，并可将光信号转换为电信号，其中，雪崩光电二极管261接收激光二极管252发出的经过被测物体反射的激光束，基准雪崩光电二极管263直接接收激光二极管252发出的激光束。高电位电压265加载于雪崩光电二极管261及基准雪崩光电二极管263之上，使该两个二极管的输出电信号得到一高电位上拉。雪崩光电二极管261及基准雪崩光电二极管263分别通过带通滤波放大器262及264连接至DSP芯片221的模拟/数字转换器2211，带通滤波放大器262及264可选择性地通过一定频率范围的信号，滤除低频噪声和高频噪声，并将有效信号放大。

耦合模块24由一耦合器241及功率放大器242组成，该耦合器241同时连接雪崩光电二极管261及基准雪崩光电二极管263，通过功率放大器242连接至可编程逻辑器件222，并将频率合成器2221产生的振荡信号耦合至雪崩光电二极管261及基准雪崩光电二极管263，从而产生激光束的相位信号。

在实际量测使用过程中，DSP芯片221的处理单元2210控制可编程逻辑器件222的频率合成器2221及开关2220，频率合成器2221产生振荡信号使激光二极管驱动件251驱动激光二极管252激光束。基准雪崩光电二极管263直接接收部分的该激光束，同时，另一部分激光束经过被测物体反射后被雪崩光电二极管261接收。基准雪崩光电二极管263及雪崩光电二极管261将接收到的光信号转化为电信号，该电信号与频率合成器2221产生的振荡信号耦合形成相位信号，并分别通过带通滤波放大器262、264连接至模拟/数字转换器2211。该模拟/数字转换器2211还与倾角感测模块23连接，将倾角感测模块23传输来的倾角感测信号与光电二极管传输来的激光束的相位信号进行模拟/数字转换，以供处理单元2210进行运算处理。

倾角雷射尺系统可利用倾角感测模块23的倾角感测信号及激光束的相位信号，通过软件程序完成诸多功能。如图4A所示，量测绝对的水平距离时，倾角雷射尺系统仅需通过一次量测，根据倾角感测模块23提供的角度α，及倾角雷射尺系统实际量测的距离(虚线表示)，即可得到绝对的水平距离(实线表示)。

倾角雷射尺系统的扫描功能如图图4B所示，倾角雷射尺系统纪录比较扫描的距离(虚线表示)，并显示最小值(实线表示)。

结合功能前述二功能，倾角雷射尺系统可以实现倾角雷射尺系统到垂直墙面距离的量测。如图图4C所示，操作者在使用中只需用激光束对被测面缓慢划过一弧线，即可得到倾角雷射尺系统与垂直墙面的水平距离。

如需量测两点间高度距离，倾角雷射尺系统在该两点分别量测一次即可得到实现，如图4D所示。

Claims (15)

1.一种倾角雷射尺系统，其包括一光发射模块、一光接收模块、一耦合模块、一信号处理模块及一显示屏，所述耦合模块连接光发射模块及光接收模块，所述信号处理模块连接耦合模块、光发射模块及光接收模块，可接收各模块发出的信号并进行运算，所述耦合模块将光接收模块接收的信号及信号处理模块产生的一振荡信号耦合，显示屏连接所述信号处理模块，可将信号处理模块的运算处理结果显示出来，其特征在于：所述倾角雷射尺系统还包括一倾角感测模块与信号处理模块连接，该倾角感测模块可获得倾角雷射尺系统在水平方向的倾角信号供信号处理模组运算处理，所述信号处理模块利用所述倾角信号运算出一被测物与所述倾角雷射尺系统的距离或所述被测物的高度。

2.如权利要求1所述的倾角雷射尺系统，其特征在于：所述光发射模块由激光二极管及激光二极管驱动器组成。

3.如权利要求1所述的倾角雷射尺系统，其特征在于：所述光接收模块包括雪崩光电二极管、基准雪崩光电二极管及滤波放大器。

4.如权利要求3所述的倾角雷射尺系统，其特征在于：所述雪崩光电二极管及基准雪崩光电二极管可将光信号转换为电信号，其中，雪崩光电二极管将激光二极管发出的并经过被测物体反射的激光束转换为电信号，基准雪崩光电二极管直接将激光二极管发出的激光束转换为电信号。

5.如权利要求1所述的倾角雷射尺系统，其特征在于：所述耦合模块包括一耦合器。

6.如权利要求1所述的倾角雷射尺系统，其特征在于：所述信号处理模块包括DSP芯片、可编程逻辑器件及压控振荡器。

7.如权利要求6所述的倾角雷射尺系统，其特征在于：所述压控振荡器产生所述振荡信号来驱动可编程逻辑器件。

8.如权利要求7所述的倾角雷射尺系统，其特征在于：所述耦合模块耦合雪崩光电二极管及基准雪崩光电二极管产生的电信号与振荡信号，从而形成相位信号。

9.如权利要求6所述的倾角雷射尺系统，其特征在于：所述DSP芯片包括一处理单元和一模拟/数字转换器。

10.如权利要求9所述的倾角雷射尺系统，其特征在于：该模拟/数字转换器可将倾角感测模块及光接收模块输出的模拟信号转化为数字信号以供处理单元运算处理。

11.一种倾角雷射尺系统的量测方法，包括以下步骤：

a)信号处理模块产生振荡信号控制光发射模块发射出激光；

b)光接受模块同时接受直接从光发射模块产生的激光束及经被测物反射回来的激光；

c)耦合模块将光接收模块接收的信号及信号处理模块产生的振荡信号耦合为相位信号；

d)信号处理模块接收并处理相位信号及倾角感测模块产生的倾角信号，运算出一被测物与所述倾角雷射尺系统的距离或所述被测物的高度；以及

e)显示屏接收信号处理模块的运算处理结果并显示。

12.如权利要求11所述的倾角雷射尺系统的量测方法，其特征在于：光接受模块包括雪崩光电二极管及基准雪崩光电二极管可将光信号转换为电信号，其中，倾角雷射尺系统通过雪崩光电二极管来接收经过被测物体反射的激光束，通过基准雪崩光电二极管直接接收光发射模块发出的激光束。

13.如权利要求11所述的倾角雷射尺系统的量测方法，其特征在于：所述信号处理模块包括DSP芯片、可编程逻辑器件及压控振荡器。

14.如权利要求13所述的倾角雷射尺系统的量测方法，其特征在于：系统利用压控振荡器产生振荡信号来驱动可编程逻辑器件。

15.如权利要求13所述的倾角雷射尺系统的量测方法，其特征在于：所述DSP芯片包括一处理单元和一模拟/数字转换器，倾角雷射尺系统利用该模拟/数字转换器将倾角感测模块及光接收模块的信号转化为数字信号以供处理单元运算处理。

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