CN103105607B - 手持式激光测距仪检定系统及检定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手持式激光测距仪检定系统，包括在一个导轨上设置有固定拖板和移动拖板；其中，在固定拖板上安装有测距仪调整平台、全站仪调整平台和近端反射镜组件，测距仪调整平台和全站仪调整平台上分别用于安装测距仪和全站仪，在移动拖板上安装有远端反射镜组件；所述的在移动拖板上设置一个光阑二，在固定拖板上设置有另一个光阑一。本发明还公开了利用上述的系统进行的手持式激光测距仪检定方法。本发明的装置及方法，设置简单，操作方便，占用场地少，测量精度高。

Description

手持式激光测距仪检定系统及检定方法

技术领域

本发明属于仪器仪表检定技术领域，涉及一种手持式激光测距仪检定系统，本发明还涉及一种手持式激光测距仪检定方法。

背景技术

手持式激光测距仪(以下文本中简称为测距仪)以其成本低、价格便宜、能精确的完成短距离内的测量等优点，而广泛的应用于生活及工业的各个方面。手持式激光测距仪作为计量器具，必须进行周期检定以保证其量值传递准确和可靠。目前，此类仪器送检数量很大，但检测技术发展相对缓慢。其间的矛盾将随着此类仪器的大量使用而日益突出，况且这类仪器的使用寿命均在10年以上，每年需要检测的仪器量将是非常巨大的。

手持式激光测距仪虽然使用方便，但是其测量结果是否准确也是专业人员极为关注的问题。因此，必须按规程对市场上的手持式激光测距仪进行检定和校准，让使用者对数据的可靠程度做到心中有数。这就要求对手持式激光测距仪的检定方法进行深入研究，制定一套合理有效的检定方法。

对于手持式激光测距仪的检定，质检总局颁布了最新的《JJG966-2010手持式激光测距仪检定规程》，新的规程相对于老的规程来说，很多地方都做了变动，所以相应的测量方法也要有所更新才能适应。

现有的检定方法主要是采用野外基线法，野外基线法的缺点是：l)需要的场地面积大，建设和维护费用高；2)因其一般建在郊外，每次检定仪器时所需的人力和财力相应增大；3)检定花费时间长；4)检定还易受气候条件的制约和影响。

与野外基线法相比，在室内建立基线的优势是明显的，室内环境条件稳定，标准仪器准确度高，更能客观真实地反映仪器本身内在的质量问题，为独立分离光电测距仪各项误差因素提供了保障，而且检定能够随时进行。综上所述，室内模拟长度基线场是满足市场和技术发展需求应运而生的产物，伴随着各行各业普遍地使用这类仪器，室内模拟长度基线场应用的市场也将日益增加和迅猛扩大，它蕴含和显现的社会和经济效益是非常巨大的。

随着未来科学技术的发展，野外作业的检定模式将会被室内操作模式所替代，加之节约房舍空间也是未来追逐的热点，所以说在测距仪的检定领域里，这类仪器室内大长度标准设备代表着未来的趋势和潮流。同时，尚有激光垂准仪、激光水平仪、激光经纬仪等等不少测量仪器的检定测量装置均可应用和借鉴“光路折叠技术”来达到“室外检测室内化”的目的，只是技术侧重不一样。

因此，急需研制一种合适的手持式激光测距仪室内检定技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种手持式激光测距仪检定系统，解决了现有技术中的手持式激光测距仪检定方式，所需场地面积大、示值基准需要温度修正的问题。

本发明的另一目的是提供一种手持式激光测距仪检定方法。

本发明所采用的技术方案是，一种手持式激光测距仪检定系统，包括在一个导轨上设置有固定拖板和移动拖板；

其中，在固定拖板上安装有测距仪调整平台、全站仪调整平台和近端反射镜组件，在移动拖板上安装有远端反射镜组件；所述的在移动拖板上设置有一个光阑二，在固定拖板上设置有光阑一。

本发明所采用的另一技术方案是，一种手持式激光测距仪检定方法，利用上述的检定系统，按照以下步骤实施：

步骤1、把两个托板放置于同一导轨上，把待测的测距仪和全站仪分别安装在固定拖板上的测距仪调整平台和全站仪调整平台上；

步骤2、利用两个光阑调整测距仪的输出光线，使第一段输出光线与导轨之间相互平行；

步骤3、在两个托板上分别安装近端反射镜组件和远端反射镜组件中的各个反射镜，按照光线传播路径一面一面的调整反射镜，使通过反射镜的各条光线之间处于水平位置，最终使光路反射回到测距仪上；

步骤4、降下被测测距仪调整平台，调整后方位置的全站仪，使全站仪的光线通过两个光阑的孔，利用此方式调整全站仪的光路与测距仪的光路重合；

步骤5、进行10m内的距离测量

将贴有反射片的反射板安置到移动拖板上的光阑二的正后方，交替着采用全站仪与测距仪对10m内的范围进行测量，对比两者之间的测量数据；

步骤6、进行10m～50m范围内的距离测量

移开移动拖板上的光阑二后方的反射板，同样采用全站仪和测距仪交替进行测量，对比数据；

对步骤5和步骤6反复进行五次，对每单个测量点的五次测量数据进行误差复现性评定，即成。

本发明的有益效果是：采用光线折叠的方法缩小装置的整体占用空间，即通过使用多个反射镜对光线进行多次反射，实现测量空间限定在小范围内进行，示值基准免去了温度修正，提高工作效率、提升检测准确度，减轻操作人员劳动强度而构思研制的，是为努力适应未来这类仪器检测的市场之需而设计开发的，所以它将带来十分显著的市场效益。

附图说明

图1为本发明手持式激光测距仪检定系统的排布位置俯视示意图；

图2为本发明装置中的两个光阑设置的原理示意图；

图3为本发明装置中的反射镜设置结构示意图；

图4为本发明装置中的测距仪与全站仪位置示意图；

图5为本发明装置中的反射镜调整示意图一；

图6为本发明装置中的反射镜调整示意图二；

图7为本发明装置中的反射镜调整示意图三；

图8为本发明装置中的反射镜调整示意图四；

图9为本发明装置中的改造后的光轴间距测量千分尺的结构示意图。

图中，1.测距仪，2.全站仪，3.反射片，4.固定拖板，5.移动拖板，6.近端反射镜组件，7.远端反射镜组件，8.测距仪调整平台，9.全站仪调整平台，10.反射镜，11.光阑一，12.光阑二，13.游标卡尺，14.卡槽，15.塑料片。

具体实施方式

参照图1，本发明的手持式激光测距仪检定系统的结构是：在一个导轨(长度优选16m)上设置有固定拖板4和移动拖板5(即下文简称的两个拖板)；在固定拖板4上安装有测距仪调整平台8、全站仪调整平台9和近端反射镜组件6，测距仪调整平台8和全站仪调整平台9上分别用于安装及调整测距仪1和全站仪2，全站仪2安装位置位于测距仪1的后方，在移动拖板5上安装有远端反射镜组件7；近端反射镜组件6和远端反射镜组件7均包括适当数量的反射镜10及反射片3。

当移动拖板5被拖动时，两个托板之间的光程便被改变，相当于改变了检测距离，然后利用测距仪1和全站仪2分别测量此光程，测距仪1(或全站仪2)的出射光线依次经过各个反射镜10及反射片3，反射光线再回到测距仪1(或全站仪2)中，得到测量数据，进行多次测量后，对所有测量结果进行分析对比，便可得知测量系统的不确定度。

反射镜10的选择。目前已知的自准直反射器件有角锥棱镜和直角棱镜，这两种棱镜都可以完成光线自准直，当棱镜参数都严格符合理想数据时，进入棱镜和从棱镜反射出来的光是平行的。但是棱镜的价格过于昂贵，所以使用平面的反射镜10来代替棱镜进行自准直。平面的反射镜10是按照直角棱镜的原理来组合的，当两面反射镜之间夹角为九十度时，入射光和出射光是相互平行的。

反射率的选择。在选择反射镜10时，需要考虑到其反射率，这对测距仪是否能接收到反射光有很大影响。根据图1可知，光线需要经过13次反射才能回到测距仪上，而在反射过程中，光线的传播损失，反射镜对其的反射损失都要考虑进去。一般反射镜的反射率在85％-90％之间，很好的镀银玻璃可达到95％左右，有一种纳米反射镜反射率则高达99.9％，具体参照表1。

表1几种材料的反射率对照表

反射镜种类	反射率	初始光	反射光
				铝镜	85％	I0	0.142I0
银镜	95％	I0	0.5403I0
				纳米镜	99％	I0	0.8864I0

对于85％反射率的反射镜，经13次反射后的能量为初始能量的0.142，即反射回来的能量只有原来的14.2％，再加上自然光或其他杂散光，测距仪很难接收到反射回来的光。对于反射率为95％的镀银反射镜，其经13次反射后的能量I为初始光的0.5403，即反射回来的能量为原发射出的能量的54.03％，光的强度要比85％的反射镜反射回来的好得多。另外，对于纳米镜而言，虽然反射效果是最好的，但是价格昂贵。所以，本发明系统中选用95％的银镜，最终经过实验验证，在反射板贴上反射片的情况下，足以完成50m内的测量需求。但是近距离时反射片会对测距产生影响，此问题会在下文加以讨论。

在固定拖板4和移动拖板5上分别设置一个光阑，根据两点确定一条直线的公理，就可以利用这两个光阑调整测距仪和全站仪的出射光至水平。具体过程是，在移动拖板5上设置一个光阑二12调整测距仪1的光路，先把移动拖板5拉至最远处调整光点通过光阑，再把移动拖板5拉至最近处调整，在不断拉远拉近的调整中，最终会把出射光的偏差角调整至最小。此时在固定拖板4上设置另一个光阑一11，使光线同时也能通过光阑二12，然后把测距仪1下放，开始调整全站仪2的光路。全站仪2的出射光就比较好调整了，因为此时两个光阑的位置已经确定，只要把移动拖板5拉至最远处，同时使全站仪2的光能同时通过这两个光阑就可以了。

反射镜的调整镜架中设置有调整反射镜的俯仰角和偏摆角的旋钮。在调整光线的平行性时，可以先旋转左上角的旋钮使光线处在同一水平面上，再旋转右下角的旋钮使得光线在此水平面内与两个光阑所准直的那一条光线平行。图5所示是第一面反射镜的调整，旋转其左上角旋钮，使反射光线与入射光线处于与地面平行的一个水平面上即可。

参照图6、图7、图8，在调整直角镜组时，可以先把第一面反射镜放置在大致与光线呈四十五度角的方位，使光线照射到第二面反射镜上，然后第二面反射镜的方位放置的与光线垂直，使光线沿原路返回(如图6)。这样，就可以通过反射光斑在第一个光阑上的位置来调整第二面反射镜的偏摆角。调整好偏摆角后，先粗略转动第二面反射镜，使出射光大致与第一条光线平行(如图7和图8)，然后通过移动拖板5远近移位调整法，即移动拖板5在最远和最近的位置，反射光斑位置大致不变(若光线有夹角，则光斑位置会随着拖板之间距离增大而发生大变化)，以此方法来调整光线的平行性。

也可以用较简便的方法，用刻度尺分别测量两端两条光线的间距。

参照图9，在进行试验调整过程中，采用数字游标卡尺来测量两端光线的间距，使用前，对游标卡尺13下方的卡槽14进行结构改动，分别贴上一片带有小孔的塑料片15，在测量光线时，使两条光线分别通过一个孔径，然后拿到另一边，调整镜架的偏摆角，使光线同样分别通过一个孔径，如此可认为两条光线是平行的(两条光线两端的间距相同)。根据上面的精度分析可知这种调整方法是精度很高的，且测量时候全站仪2和测距仪1的光线重合性更是消除了误差的一部分。

图1所示实施例中，光线一共经过了三组直角镜组，而每一组直角镜组都可以用此方法进行调整，以保证测量系统尽可能的高精度化。

测距仪调整平台8，该平台能够完成上下(纵向)、水平(横向)的移动，以及水平面转动和偏摆，各方向的移动都通过转动相应的旋钮来实现，从而精密的调整测距仪光线的位置。

全站仪调整平台9，全站仪本身具有调整出射光角度的功能，且精度较高。此平台具有横向平移功能，至于全站仪出射光的俯仰角采用其自身角度调整功能进行调整，其偏摆角则利用光阑进行调整，以保证其出射光与导轨保持平行。

本发明的测距仪检定系统的组件安装好后，便可进行50m范围内的数据测量，测量步骤是：

步骤1、把两个托板放置于同一导轨上，把待测的测距仪1和全站仪2分别安装在固定拖板4上的测距仪调整平台8和全站仪调整平台9上；

步骤2、利用两个光阑调整测距仪1的输出光线，使第一段输出光线与导轨之间相互平行；

步骤3、在两个托板上分别安装各个反射镜，实施例总共设置有六面反射镜，按照光线传播路径一面一面的调整反射镜，使通过反射镜的各条光线之间处于水平位置，最终使光路反射回到测距仪1上(反射镜的调整方法参考图5、图6、图7、图8和图9)；

步骤4、降下被测测距仪调整平台8，调整后方位置的全站仪2，使全站仪2的光线通过两个光阑的孔，利用此方式调整全站仪2的光路与测距仪1的光路重合；

步骤5、进行10m内的距离测量

如图1，将贴有反射片3的反射板安置到移动拖板5上的光阑二12的正后方，交替着采用全站仪2与测距仪1对10m内的范围进行测量，对比两者之间的测量数据；

步骤6、进行10m～50m范围内的距离测量

移开移动拖板5上的光阑二12后方的反射板，重新利用图1中所示的相应位置，同样采用全站仪2和测距仪1交替进行测量，对比数据；

对步骤5和步骤6反复进行五次，对每单个测量点的五次测量数据进行误差复现性评定，即成。

出射光的平行度对测量的影响：

在调整光路平行时，是把移动拖板5拉到最远处调整，当光线通过光阑二12的中心后，再把移动拖板5拉到最近处，不断反复调整光源位置调整机构，直到光线在移动拖板5处在最近处和最远处时都能同时通过光阑二12中心，则证明光线是处于与导轨平行的状态。

参照图2，当光线有偏摆时，光线照射到光阑二12上时会有所位移，当移动拖板5移动到导轨另一端时，两个光阑之间的距离大致为15m，则偏摆角θ和光点在第二个光阑上的位移x之间的关系为而因此造成的光程差为根据要求l的最大值为50m。可以从表2中得知偏摆角与光程差的关系。

表2偏摆角与光程差的关系

偏摆角θ	光点位移x(mm)	光程l(mm)	原光程l0(mm)	光程差(mm)
					1′′	0.073	50000.00000058	50000	0.00000058
5′′	0.364	50000.00001469	50000	0.00001469
					30′′	2.182	50000.00052884	50000	0.00052884
1′	4.363	50000.00211539	50000	0.00211539
					2′	8.727	50000.00846159	50000	0.00846159
3′	43.633	50000.01903859	50000	0.01903859
					5′	72.722	50000.05288501	50000	0.05288501

由表2可知，光线的偏差对光程上的影响是很小的，因为光阑(主要指的是光阑二12)上的光点位移是被控制在一定范围内的，以人眼所见，可将光点位移值控制在5mm以内，而此时，光程上的误差是在微米级的，在数据分析中是可以忽略不计的。

反射镜调整精度对光程的影响：

光路系统中所使用的反射镜支架，是可以分别调整俯仰与偏摆的，要使反射光线与出射光线完全平行，可以先调整俯仰角，使其反射回的光点与光阑一11光点水平，再调整偏摆角，使其与出射光平行。

在本发明系统中，反射镜以两两一组的方式分别组成直角镜，直角镜的优点在于出射光与入射光在原理上是完全平行的。如此，反射镜便可以不是严格的四十五度角放置，只要保证两面反射镜的夹角为九十度，便可以保证光线的准直性。

当然，反射镜也是不能保证是严格的九十度，由图3可以看出，当直角镜角度有偏差时，反射光与入射光之间会有夹角。经过公示换算可知β＝180°-2α，与上述同理，在调整反射镜偏摆时，把移动拖板5拉到最远处，控制第二条反射光线与第一条出射光尽量平行，光点偏差经过调整控制在5mm范围内，后面同理，可知光线经过13次反射后反射镜角度差引起的误差也是在几十微米的范围内，对测量结果的精度要求来说也是可以忽略不计的。

还有其他方面的误差，比如光线传播过程中的损失造成的误差、测距仪本身的系统误差等等。其中系统误差的确定方法可以利用误差理论中的计算数据比较法，具体实现过程是：对同一量进行多组测量，通过多组计算数据比较，若满足公式则可以认为不存在系统误差，

——任意两组测量数据的算术平均值；

σ_iσ_j——所选用两组数据的标准差。

反射片对测距仪的影响：

测距仪1测量距离时是需要反射板的，此反射板属于灰度板，反射片是贴在反射板上的，对光线产生的是漫反射。而全站仪2由于光线比较弱，在反射光时需要反射片。这就造成测距仪1与全站仪2测距方式的矛盾处。而经过试验验证后可知，测距仪1的光在经过反射镜的反射后，光线会减弱，测距能力大大下降。所以在距离达到一定程度时，测距仪1反而要利用反射片才能达到测距的目的。

在测距实验过程中，把测量距离分成了两部分，0～10m和10m～50m的测量。在进行10m内的测量时，由于整体系统本身就具有一定光程距离(主要是反射镜之间的距离无法缩小为0)，所以无法直接利用本系统完成小距离的采点测量。此时把反射板直接放在光阑二12正后方，直接对光线进行反射(小距离的测量等于是完全抛弃了本测量系统，直接在一条直线上完成的测量)。而此时，在测量时则要分两步，对手持测距仪进行测量时，使用的是灰度板，而对全站仪进行测量时，则要在灰度板上贴上反射片(由于测量全站仪与手持之间的距离时，手持后方也是贴上了反射片的，所以反射片的附加光程是刚好抵消的，如图4所示)，如此才能进行正常的测量。

而进行长距离测量时，则一直是贴上了反射片的，这对全站仪2的测量是没有影响的，而测距仪1测量过程中，很容易就会出现光线溢出现象。对此问题的解决办法则是调整光阑孔径，使其挡住一部分的杂散光，手持测距仪便可以进行正常的测量。而对于光阑孔径是否会影响测距仪测量结果，也进行了验证，实验结果也表明，光阑的孔径大小对手持测距仪几乎是没有影响的，而对于全站仪则随着距离的变小，影响会变大。所以在测量光程时，全站仪的光阑是始终放到最大，手持测距仪的光阑则是在可以测距的前提下尽量放到最大。而对于长距离的测量结果，要进行一次反射片厚度的修订，即测距仪1的结果要全部加上0.3，才能消除其影响。

实施例

本次试验过程中对测距仪1与全站仪2的数据进行了多次采集，其中利用镜组测量的大距离数据(即10～50m距离)共11组，而直接测量的小距离数据(即0～10m距离)有6组，见表3。

表3测量数据比对表

测距仪1的测量误差之间的对比应满足公式才算符合要求，其中，Y_bi—手持式激光测距仪检定系统测量的示值误差值；Y_ci—中国计量科学研究院测量的示值误差值；u_bi—Y_bi的标准不确定度；u_ci—Y_ci的标准不确定度；k—覆盖因子，优选k＝2。通过测距系统对手持式激光测距仪的多次检测结果，从修正误差可以看出，误差值都是处于正常范围内，即便个别数据的误差过于大，但是也可以按照测量过程中出现的粗大误差处理，不予理会。

根据表3可见，本发明的测量系统在测距仪的参考点上所测得的误差值的不确定度是符合要求的。

本发明的装置，使得检测系统具备全室内检测功能，将室外50m以上的基线场搬进室内二十米的空间之中，同时有效降低检测者劳动强度，提高检测效率，方便标定和维护，大大节省工作成本，适应于检测市场发展要求。

Claims (2)

1.一种手持式激光测距仪检定方法，其特征在于，利用一种检定系统，该检定系统的结构是，

包括在一个导轨上设置有固定拖板(4)和移动拖板(5)；其中，在固定拖板(4)上安装有测距仪调整平台(8)、全站仪调整平台(9)和近端反射镜组件(6)，在固定拖板(4)上设置有光阑一(11)；在移动拖板(5)上安装有远端反射镜组件(7)，在移动拖板(5)上设置有一个光阑二(12)；所述的近端反射镜组件(6)和远端反射镜组件(7)均包括适当数量的反射镜(10)及反射片(3)

该方法利用上述的检定系统，按照以下步骤实施：

步骤1、把固定拖板(4)和移动拖板(5)放置于同一导轨上，把待测的测距仪(1)和全站仪(2)分别安装在固定拖板(4)上的测距仪调整平台(8)和全站仪调整平台(9)上；

步骤2、利用光阑一(11)和光阑二(12)调整测距仪(1)的输出光线，使第一段输出光线与导轨之间相互平行；

步骤3、在固定拖板(4)和移动拖板(5)上分别安装近端反射镜组件(6)和远端反射镜组件(7)中的各个反射镜(10)，按照光线传播路径一面一面的调整反射镜(10)，使通过反射镜的各条光线之间处于水平位置，最终使光路反射回到测距仪(1)上；

步骤4、降下被测测距仪调整平台(8)，调整后方位置的全站仪(2)，使全站仪(2)的光线通过光阑一(11)和光阑二(12)的孔，利用此方式调整全站仪(2)的光路与测距仪(1)的光路重合；

步骤5、进行10m内的距离测量

将贴有反射片(3)的反射板安置到移动拖板(5)上的光阑二(12)的正后方，交替着采用全站仪(2)与测距仪(1)对10m内的范围进行测量，对比两者之间的测量数据；

步骤6、进行10m～50m范围内的距离测量

移开移动拖板(5)上的光阑二(12)后方的反射板，同样采用全站仪(2)和测距仪(1)交替进行测量，对比数据；

对步骤5和步骤6反复进行五次，对每单个测量点的五次测量数据进行误差复现性评定，即成。

2.根据权利要求1所述的手持式激光测距仪检定方法，其特征在于：所述的反射镜(10)选用反射率为95％的银镜。