CN102749066A - 一种电子激光靶及其测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电子激光靶及其测量装置，电子激光靶设置于待测物上，用来测量待测物的位置，具有箱体，箱体具有相对设置且垂直于箱体的横轴的第一侧板及第二侧板，激光束透过第一侧板，包括第一棱镜及角度传感器。第一棱镜、第一侧板及第二侧板沿箱体的横轴依次排列。角度传感器设置于箱体内，用来测量电子激光靶相对于待测物的俯仰角和转动角。测量装置包括电子激光靶、第二棱镜、全站仪及控制器。第二棱镜提供后视点。全站仪设置于第二棱镜与电子激光靶之间，用来提供激光束、测量第一棱镜的相对坐标及激光束入射至第一侧板上的水平角和垂直角。控制器分别连接电子激光靶、全站仪，以确定待测物位置。本发明可精确测量待测物位置并节约成本。

Description

一种电子激光靶及其测量装置

技术领域

本发明涉及一种工程建设领域，尤其涉及一种电子激光靶。

背景技术

盾构技术是隧道开挖的一种工程建设技术，具有自动化程度高、节省人力、施工速度快的优势，并且在开挖时可以控制地面沉降，同时可以减少对地面建筑物的影响，另外在水下开挖时不会影响水面交通。一般地，在隧道轴线较长、埋深较大的情况下，采用盾构技术更为经济合理。

目前，常用的测量盾构机的姿态与位置的方法有：

1.人工测量法。在盾构机轴线的正上方固定安装前、后二个标靶，辅助经纬仪测量盾构机轴线在大地坐标系下的方位角，在盾构机上固定安装有坡度板，通过重力锤在坡度板上的位置测量盾构机的俯仰角和转动角，最后通过已安装的管片数量确定盾构机的位置。此方法存在以下缺陷：①通过已安装管片数量确定盾构机位置，管片安装存在误差，盾构机位置误差是管片安装误差的累积，盾构机位置误差达2~5厘米，不能满足盾构机位置测量的精度要求。②坡度板的精度只能达到0.1度，不能满足盾构机的俯仰角和转动角测量的精度要求。③测量的每一步都必须人工读取数据，测量效率低，不能为盾构施工提供实时连续的盾构位置信息。④前标靶和后标靶必须准确的安装在盾构机轴线的正上方，标靶安装困难。⑤此方法要求投入大量的人力，并且对测量工程师要求高，工作强度高，对盾构施工干扰大。

2.三棱镜测量法。在盾构机上安装三个棱镜，通过智能全站仪自动测量三个棱镜来对盾构姿态进行定位，智能全站仪分别测量安置于盾构机内的3个固定点棱镜，得到3点的坐标，再通过坐标转换获得盾构机盾首和盾尾的坐标。这种测量方式能较好地解决人工测量方法存在的人力投入量大、工作量大、测量精度低等缺点，但在实际施工环境中通视条件有限，特别是曲线掘进时，难以保证三点同时通视，需频繁搬站测量，且在盾构机上需要安装3个棱镜，棱镜也易被意外碰到，导致测量结果不准确，3个棱镜的安装位置对测量精度的影响也比较大。

3.两棱镜测量法。在盾构机上安装两个棱镜和一个双轴角度传感器，智能全站仪固定在已拼装且较稳定的管片上方的专用托架上，以一定的时间间隔实时测量出两个特征点(棱镜)坐标，同时根据双轴角度传感器，确定盾构的俯仰角和滚动角。经由控制电缆输入采集的数据，再经过计算机专用的隧道掘进软件整理和计算，通过对盾构当前实际位置和相应里程的设计位置的综合比较，盾构的位置和姿态就以数据和模拟图表两种形式显示在控制室内的电脑屏幕上。这种测量方式在一定程度上减小了测量所需通道，但是没有根本解决测量通道空间问题，特别是对于小型盾构机不能适用。且需要分别安装2个棱镜和一个双轴角度传感器，硬件集成度低，稳定性较差，精度易受两棱镜之间的空间距离影响。

有鉴于此，如何设计一种电子激光靶及其测量装置，以精确测量待测物的位置，并节约成本，是业内人士亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中，盾构测量中存在的测量自动化低、硬件集成度低、系统稳定性差、需要测量空间大和精度低问题这一缺陷，本发明提供了一种电子激光靶及其测量装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种电子激光靶，设置于待测物上，用来测量所述待测物的位置，其中，所述电子激光靶具有箱体，所述箱体具有第一侧板及第二侧板，所述第一侧板与所述第二侧板相对设置，且所述第一侧板及所述第二侧板垂直于所述箱体的横轴，激光束透过所述第一侧板，包括：

第一棱镜，所述第一棱镜、所述第一侧板及所述第二侧板沿所述箱体的横轴依次排列；以及

角度传感器，设置于所述箱体内，所述角度传感器用来测量所述电子激光靶相对于所述待测物的俯仰角和转动角。

优选地，所述第一侧板上具有通孔，所述通孔位于所述第一侧板与所述箱体的纵轴相平行的对称轴上。

优选地，所述第一棱镜对应于所述第一侧板与所述箱体的纵轴相平行的对称轴设置且位于所述通孔的上方或下方。

优选地，所述第一侧板由透光材料制成。

优选地，更包括第一相机，设置于所述箱体内用来拍摄形成于所述第一侧板上光斑。

优选地，更包括第二相机，设置于所述箱体内用来拍摄形成于所述第二侧板上的光斑。

优选地，所述第二侧板为光电位置传感器，用来检测形成于所述第二侧板上的光斑。

优选地，更包括支撑件，所述第一棱镜通过所述支撑件固定连接于所述第一侧板上。

优选地，更包括支撑件，所述第一棱镜通过所述支撑件固定连接于所述第一侧板上。

根据本发明的另一个方面，提供了一种测量装置，其中，包括：

如上所述的电子激光靶；

第二棱镜，用来提供后视点；

全站仪，设置于所述第一棱镜与所述第二棱镜之间，所述全站仪用来提供激光束，并且所述全站仪测量出所述第一棱镜的相对坐标及所述激光束射入至所述第一侧板上的水平角和垂直角；以及

控制器，分别连接于所述全站仪及所述电子激光靶，所述控制器根据所述第一棱镜的大地坐标、所述激光束射入至所述第一侧板上的水平角和垂直角、形成于所述第一侧板上的光斑的大地坐标、形成于所述第二侧板上的光斑的大地坐标及所述电子激光靶相对于所述待测物的俯仰角和滚动角计算所述待测物的位置。

本发明的优点是：利用电子激光靶对应设置的第一侧板及第二侧板来接收激光束以形成光斑，然后通过光斑的位置及电子激光靶上第一棱镜的位置确定电子激光靶的位置。并且，可以通过角度传感器测得电子激光靶与待测物的关系，然后通过控制器以进一步确定待测物的位置，在此过程中能够较为精确地测得光斑的位置，从而可以精确地测得待测物的位置。另外，还可以大大地节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了依据本发明一个方面的一个实施例的电子激光靶的结构剖面图。

图2示出了具有图1所示的电子激光靶的测量装置的结构示意图。

图3示出了依据本发明一个方面的另一个实施例的电子激光靶的结构剖面图。

图4示出了具有图3所示的电子激光靶的测量装置的结构示意图。

图5示出了依据本发明一个方面的又一个实施例的电子激光靶的结构剖面图。

图6示出了具有图5所示的电子激光靶的测量装置的结构示意图。

图7示出了依据本发明一个方面的再一个实施例的电子激光靶的结构剖面图。

图8示出了具有图7所示的电子激光靶的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了依据本发明一个方面的一个实施例的电子激光靶的结构剖面图。参照图1，电子激光靶1设置于待测物上，用来测量待测物的位置。电子激光靶1具有一箱体10，箱体10具有第一侧板11及第二侧板12，激光束在第一侧板11及第二侧板12上形成光斑。其中，第一侧板11与第二侧板12相对设置，第一侧板11与第二侧板12的中心相对应，并且第一侧板11及第二侧板12垂直于箱体10的横轴。另外，第一侧板11能够让激光束透过。本实施例中，在第一侧板11上设置通孔111，激光束穿过通孔111以实现激光束透过第一侧板11。通孔111位于第一侧板11与箱体10的纵轴相平行的对称轴上，例如如图1所示，通孔111设置于第一侧板11近上端的位置。电子激光靶1包括第一棱镜13及角度传感器14。第一棱镜13、第一侧板11及第二侧板12沿箱体10的横轴依次排列。第一棱镜13则对应于第一侧板11与箱体的纵轴相平行的对称轴设置，并且第一棱镜13设置于通孔111的下方，如图1所示，第一棱镜13设置于第一侧板11近下端的位置，但并不以此为限，在另外的实施例中，第一棱镜13还可以设置于通孔111的上方。本实施例中，第一棱镜13通过一支撑件15来将第一棱镜13固定连接于第一侧板11上。角度传感器14则设置于箱体10内，其可以测量出电子激光靶1相对于待测物的俯仰角和转动角。电子激光靶1还包括第二相机16，设置于箱体10内，可以利用第二相机16拍摄形成于第二侧板12上的光斑。

图2示出了具有图1所示的电子激光靶的测量装置的结构示意图。参照图2，测量装置2包括：电子激光靶1、第二棱镜21、全站仪22及控制器23。其中，全站仪22设置于电子激光靶1与第二棱镜21之间，第二棱镜21用来提供后视点。全站仪22用来给电子激光靶1提供激光束，并且可以测出第一棱镜13的相对坐标。另外，全站仪22还可以测量出激光束射入至第一侧板11上的水平角和垂直角。全站仪22连接于控制器23，以便将其测得的第一棱镜13的相对坐标及激光束射入至第一侧板11上的水平角和垂直角传输至控制器23。第二相机16及角度传感器14则分别与控制器23相连接，第二相机16可以将其拍摄的形成于第二侧板12上的光斑的信息传输至控制器23，角度传感器14也可以将其测得的电子激光靶1相对于待测物的俯仰角和滚动角传输至控制器23内。本实施例中，通孔111在第一侧板11上的位置信息则预设于控制器23内。

结合图1参照图2，本实施例中，测量待测物的位置的原理是：先定义电子激光靶1的局部坐标系，即以电子激光靶1的第一侧板11的中心为坐标原点，并以第一侧板11的中心与第二侧板12的中心之间的连线为Y轴的右手坐标系。利用全站仪22测得第一棱镜13的相对坐标，并将第一棱镜13的相对坐标输入控制器23。全站仪22为电子激光靶1提供激光束，并且根据第二棱镜21提供的后视点测量出激光束入射至第一侧板11上的水平角和垂直角。全站仪22将获得的激光束射入至第一侧板11上的水平角和垂直角输入至控制器23。控制器23则根据第一棱镜13的相对坐标及激光束射入至第一侧板11上的水平角和垂直角进行坐标转换，以获得第一棱镜13的大地坐标。从全站仪22发出的任一角度的激光束射入至第一侧板11上并透过通孔111传输至第二侧板12上，因此激光束会在第一侧板11及第二侧板12上分别形成光斑。由于第一侧板11上通过通孔111使激光束透过，所以激光束在第一侧板11上形成的光斑的位置就是通孔111所在的位置，而第一侧板12上的光斑至第一侧板11的中心距离即为通孔111的中心与第一侧板11的中心之间的距离。可以先将通孔111在第一侧板11上的位置信息预设于控制器23内，然后由控制器23计算出通孔111的大地坐标，从而由此确定形成于第一侧板11上的光斑的大地坐标。

第二相机16则拍摄出形成于第二侧板12上的光斑，并将形成于第二侧板12上的光斑的信息输入至控制器23，通过控制器23计算出第二侧板12上的光斑与第二侧板12的中心之间的距离，从而确定出形成于第二侧板12上的光斑的大地坐标。控制器23进一步根据形成于第一侧板11上的光斑的大地坐标及形成于第二侧板12上的光斑的大地坐标，计算出电子激光靶1的水平方位角。然后，控制器23根据第一棱镜13的大地坐标及电子激光靶1的水平方位角确定出电子激光靶1的空间位置。角度传感器14将测得的电子激光靶1相对于待测物的俯仰角和滚动角输入至控制器23，由控制器23计算出电子激光靶1的姿态角。最后，控制器23根据电子激光靶1的水平方位角及电子激光靶1姿态角计算出待测物的大地坐标，从而将待测物的空间位置予以确定。

以下只对本发明的其他实施例中与上述实施例的不同之处做详细介绍，而相同之处则做简略介绍。

图3示出了依据本发明一个方面的另一个实施例的电子激光靶的结构剖面图。参照图3，电子激光靶3同样具有箱体30，箱体30具有第一侧板31及第二侧板32，第一侧板31及第二侧板32用来接收激光束形成的光斑，并且电子激光靶3也包括第一棱镜33、角度传感器34及第二相机36。与图1所示实施例不同之处在于，第一侧板31由透光材料制成，激光束可以从整个第一侧板31上透过，因此需要在箱体30内设置一第一相机37以用来拍摄形成于第一侧板31上的光斑。由于激光束可以从整个第一侧板31上透过，所以本实施例中，第一棱镜33可以设置于与第一侧板31相对应的任何位置。

图4示出了具有图3所示的电子激光靶的测量装置的结构示意图。参照图4，测量装置4同样包括电子激光靶3、第二棱镜41、全站仪42及控制器43。相应地，不仅第二相机36及角度传感器34与控制器43相连接，第一相机37也连接于控制器43，第一相机37则将其拍摄的形成于第一侧板31上光斑信息输入至控制器43内。

结合图3参照图4，本实施例中，测量待测物的位置的原理与图2所示的实施例不同之处在于，形成于第一侧板31上的光斑信息并不是预设于控制器43内，而是通过第一相机37输入控制器43内，再由控制器43计算出形成于第一侧板31上的光斑至第一侧板31的中心距离，由此确定出形成于第一侧板31上的光斑的大地坐标。

图5示出了依据本发明一个方面的又一个实施例的电子激光靶的结构剖面图。参照图5，电子激光靶5同样具有箱体50，箱体50具有第一侧板51及第二侧板52，第一侧板51及第二侧板52用来接收激光束形成的光斑，并且电子激光靶5也包括第一棱镜53及角度传感器54。与图1所示实施例相同的是，第一侧板51上也具有通孔511。激光束在第一侧板51上形成的光斑的位置即为通孔511所在的位置。本实施例不同于图1所示的实施例的地方在于，第二侧板52为光电位置传感器（Position Sensitive Detectors，缩写为PSD），光电位置传感器（PSD）可以感测到形成于第二侧板52上的光斑，因此，本实施例中无需另外设置第二相机以拍摄形成于第二侧板52上的光斑，而是通过光电位置传感器（PSD），即第二侧板52直接检测出形成于第二侧板52上的光斑。

图6示出了具有图5所示的电子激光靶的测量装置的结构示意图。参照图6，测量装置6同样包括电子激光靶5、第二棱镜61、全站仪62及控制器63。与图2所示实施例相同，形成于第一侧板51上的光斑的位置即为通孔511所在的位置，因此同样将通孔511在第一侧板51上的位置信息预设于控制器63内。另外，与图2所示实施例不同的是，不仅角度传感器54连接于控制器63，第二侧板52也连接于控制器63，以便将第二侧板52检测到的形成于其上的光斑信息输入至控制器63内。

结合图5参照图6，本实施例中，测量待测物的位置的原理与图2所示的实施例不同之处在于，形成于第二侧板52上的光斑信息不需要通过另外设置第二相机拍摄，而是由第二侧板52检测到形成于其上的光斑并将该光斑信息直接输入至控制器63，再由控制器63计算出形成于第二侧板52上的光斑至第一侧板51的中心距离，由此确定出形成于第二侧板52上的光斑的大地坐标。

图7示出了依据本发明一个方面的再一个实施例的电子激光靶的结构剖面图。参照图7，电子激光靶7同样具有箱体70，箱体70具有第一侧板71及第二侧板72，第一侧板71及第二侧板72用来接收激光束形成的光斑，并且电子激光靶7也包括第一棱镜73及角度传感器74。与图3所示实施例相同，第一侧板71由透光材料制成，因此形成于第一侧板71上的光斑需要再另外设置第一相机77来拍摄。而与图3所示的实施例不同的是，第二侧板72为光电位置传感器（PSD），因此第二侧板72可以直接检测到形成于其上的光斑，而无需另外设置第二相机以拍摄形成于第二侧板72上的光斑。

图8示出了具有图7所示的电子激光靶的测量装置的结构示意图。参照图8，测量装置8同样包括电子激光靶7、第二棱镜81、全站仪82及控制器83。与图4所示实施例相同，电子激光靶7中的第一相机77连接于控制器83，第一相机77则将其拍摄的形成于第一侧板71上的光斑信息输入至控制器83内。而与图4所示实施例不同之处在于，不仅角度传感器74及第一相机77与控制器83相连接，第二侧板72也与控制器83相连接，以直接将第二侧板72检测到的形成于其上的光斑的信息输入至控制器83。

结合图7参照图8，本实施例中，测量待测物的位置的原理与图4所示的实施例不同之处在于，形成于第二侧板72上的光斑信息不需要通过另外设置第二相机拍摄，而是由第二侧板72检测到形成于其上的光斑并将该光斑信息直接输入至控制器83，再由控制器83计算出形成于第二侧板72上的光斑至第一侧板71的中心距离，由此确定出形成于第二侧板72上的光斑的大地坐标。

本发明的优点是：利用电子激光靶对应设置的第一侧板及第二侧板来接收激光束以形成光斑，然后通过光斑的位置及电子激光靶上第一棱镜的位置确定电子激光靶的位置。并且，可以通过角度传感器测得电子激光靶与待测物的关系，然后通过控制器以进一步确定待测物的位置，在此过程中能够较为精确地测得光斑的位置，从而可以精确地测得待测物的位置。另外，还可以大大地节约成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种电子激光靶，设置于待测物上，用来测量所述待测物的位置，其特征在于，所述电子激光靶具有箱体，所述箱体具有第一侧板及第二侧板，所述第一侧板与所述第二侧板相对设置，且所述第一侧板及所述第二侧板垂直于所述箱体的横轴，激光束透过所述第一侧板，包括：

第一棱镜，所述第一棱镜、所述第一侧板及所述第二侧板沿所述箱体的横轴依次排列；以及

角度传感器，设置于所述箱体内，所述角度传感器用来测量所述电子激光靶相对于所述待测物的俯仰角和转动角。

2.如权利要求1所述的电子激光靶，其特征在于，所述第一侧板上具有通孔，所述通孔位于所述第一侧板与所述箱体的纵轴相平行的对称轴上。

3.如权利要求2所述的电子激光靶，其特征在于，所述第一棱镜对应于所述第一侧板与所述箱体的纵轴相平行的对称轴设置且位于所述通孔的上方或下方。

4.如权利要求1所述的电子激光靶，其特征在于，所述第一侧板由透光材料制成。

5.如权利要求4所述的电子激光靶，其特征在于，更包括第一相机，设置于所述箱体内用来拍摄形成于所述第一侧板上的光斑。

6.如权利要求1至5任一项所述的电子激光靶，其特征在于，更包括第二相机，设置于所述箱体内用来拍摄形成于所述第二侧板上的光斑。

7.如权利要求1至5任一项所述的电子激光靶，其特征在于，所述第二侧板为光电位置传感器，用来检测形成于所述第二侧板上的光斑。

8.如权利要求6所述的电子激光靶，其特征在于，更包括支撑件，所述第一棱镜通过所述支撑件固定连接于所述第一侧板上。

9.如权利要求7所述的电子激光靶，其特征在于，更包括支撑件，所述第一棱镜通过所述支撑件固定连接于所述第一侧板上。

10.一种测量装置，其特征在于，包括：

如权利要求1至9任一项所述的电子激光靶；

第二棱镜，用来提供后视点；

全站仪，设置于所述第一棱镜与所述第二棱镜之间，所述全站仪用来提供激光束，并且所述全站仪测量出所述第一棱镜的相对坐标及所述激光束射入至所述第一侧板上的水平角和垂直角；以及

控制器，分别连接于所述全站仪及所述电子激光靶，所述控制器根据所述第一棱镜的大地坐标、所述激光束射入至所述第一侧板上的水平角和垂直角、形成于所述第一侧板上的光斑的大地坐标、形成于所述第二侧板上的光斑的大地坐标及所述电子激光靶相对于所述待测物的俯仰角和滚动角计算所述待测物的位置。

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