CN103245323A - 激光游标测尺式测高仪及其高度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光游标测尺式测高仪及其高度测量方法。测高仪包括激光器、水平支架、竖直支架、左右水平游标测尺、左右竖直游标测尺和通光板，其中，水平支架与竖直支架通过销轴连接。本发明利用激光光束的高准直特性，对所测对象的顶端进行高精度定位，游标测尺可以实现对激光发射点水平移动距离、激光线与竖直支架测量平面交点竖直移动距离的精确测量，通过几何关系能实现对被测对象高度的测量。本发明所实现的高度测量仪器方法具有测量精度高、结构简单、经济性好等优点，能够适应实际中复杂的测量环境。

Description

激光游标测尺式测高仪及其高度测量方法
【技术领域】
本发明涉及一种高度测量仪，尤其涉及需要采用非接触测量方式实现的便于实际测量的高度测量仪。
【背景技术】
实际中对于高度的测量需求很多，比如地质勘测、建筑物高度测量或者山脉相对高度测量。关于高度的测量方法或者仪器已经有很多，大多是基于三角测量原理，通过对相关倾角以及辅助距离值的测量间接实现对目标高度的测量。申请号为201010256289.5的专利通过测高仪上的角度计测量观察被测物体最高点时的仰角，然后测量被测物体最高点到观测点的水平距离，从而通过三角关系实现高度测量。然而实际中被测物体最高点到观测点的水平距离很难测量，很多时候甚至是无法直接测量的。虽然可以通过两次测量避免对被测物体最高点到观测点的水平距离进行测量，但是实际操作程序较为复杂。
申请号为200520068961.2的实用新型专利通过采用相隔1m的两个角度表，将激光器与角度表指示针转轴固定，测得两个激光器的倾角值后便能够计算被测目标高度。这种方法虽然解决了被测物体最高点到观测点的水平距离的测量问题，但是角度表与激光器的安装同轴精度难以保证，而且所述的角度表的角度测量精度较低时，高度的测量误差会被放大，难以达到较高的测量精度。
鉴于以上技术问题，设计出既能解决被测物体最高点到观测点的水平距离的测量问题又能在一定测量范围内达到较高测量精度的测高仪是必要的。
【发明内容】
针对上述问题，本发明提供了一种激光游标测尺式测高仪及其高度测量方法，本发明采用水平以及竖直两个方向上的游标测尺对激光在不同位置照射被测高度点时的特征距离值进行记录，然后通过建立三角关系并求解实现对目标高度的测量。由于游标测尺在距离测量时具有很高的测量精度，从而保证了对高度的测量精度，而且能实现对高度的非接触式测量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种激光游标测尺式测高仪，主要由激光器、水平支架、竖直支架、左水平游标测尺、右水平游标测尺、左竖直游标测尺、右竖直游标测尺和通光板组成，其中，水平支架与竖直支架通过销轴连接，且在测量过程中保证水平支架与竖直支架的测量平面分别与水平线和垂线平行；所述左水平游标测尺和右水平游标测尺分别平行地设置在水平支架的左右两侧，所述左竖直游标测尺和右竖直游标测尺分别平行地设置在竖直支架的左右两侧；所述激光器设置在左水平游标测尺和右水平游标测尺之间，所述通光板设置在左竖直游标测尺和右竖直游标测尺之间；测量时，激光器所发射激光光斑照射到被测物体最高点时，固定激光器，调节通光板保证通过十字线中心标记的激光光斑中心与通光板的十字线中心重合。
水平支架上设置有水平仪，作为其水平度的度量器件。
所述激光器安装在激光器支架上，所述激光器支架通过激光器支撑轴设置在左水平游标测尺和右水平游标测尺之间并在水平支架上平移。
所述激光器支架带有放置以及固定激光器的结构，所述激光器在激光出射方向，带有一刻有十字线的透射膜，十字线的交点与激光光斑中心重合。
所述水平支架带有四个可折叠且可伸缩的支撑腿，用于调节水平支架的水平度。
所述水平支架在横向和纵向分别设置有横向水平仪和纵向水平仪，通过观察横向水平仪和纵向水平仪的示数判断水平支架的水平度。
所述测高仪进一步设置有连接杆，所述连接杆的一端铰接在水平支架或竖直支架上，另一端滑动地连接在竖直支架或水平支架上，借此调整竖直支架的垂直度。
所述竖直支架设置有供通光板滑动的滑槽。
所述竖直支架设置有水平仪，作为其垂直度的度量器件。
所述通光板十字线中心与通光板下端平齐。
上述测高仪的高度测量方法，具体步骤如下：
（10.1）标定出水平方向游标测尺、竖直方向游标测尺零位相对于水平支架、竖直支架连接销轴中心的水平距离l0、竖直距离h0；
（10.2）通电使得激光器正常工作后，将激光器沿着水平游标测尺方向移动到位置1，然后转动激光器使得所发射激光光斑照射到被测物体最高点，固定住激光器，然后调节通光板使得通过十字线中心标记的激光光斑中心与通光板上的十字线中心重合，记录下各游标测尺的测量值l1、h1；
（10.3）将激光器移动到位置2，转动激光器使得所发射激光光斑照射到被测物体最高点，固定住激光器，然后调节通光板使得激光光斑中心与通光板上的十字线中心重合，得到距离l2、h2；
（10.4）设被测高度值为H，根据几何关系有
l 0 + l 1 l 0 + l 1 + x = h 0 + h 1 H l 0 + l 2 l 0 + l 2 + x = h 0 + h 2 H
整理得
H = ( h 0 + h 1 ) ( h 0 + h 2 ) ( l 2 - l 1 ) ( h 0 + h 1 ) ( l 0 + l 2 ) - ( h 0 + h 2 ) ( l 0 + l 1 )
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明利用激光光束的高准直特性，对所测对象的顶端进行高精度定位，游标测尺可以实现对激光发射点水平移动距离、激光线与竖直支架测量平面交点竖直移动距离的精确测量，通过几何关系能实现对被测对象高度的测量。本发明所实现的高度测量仪器方法具有测量精度高、结构简单、经济性好等优点，能够适应实际中复杂的测量环境。在不需要知道测量点与被测点水平距离的情况下，不需要进行任何角度相关的测量，就能够实现对被测目标高度的非接触测量，而且操作简便；由于移动距离采用游标测尺进行测量，能达到较高的测量精度。
【附图说明】
图1为水平支架及其附属部件的俯视图；
图2为水平支架及其附属部件的主视图；
图3为竖直支架及其附属部件的主视图；
图4为激光游标测尺式测高仪的整体示意图；
图5为激光游标测尺式测高仪工作方式1示意图；
图6为激光游标测尺式测高仪工作方式2示意图。
【具体实施】
下面结合附图，对本发明的一种实施例过程做进一步描述。
请参阅图1至图4所示，本发明测高仪包括激光器8、带游标的测量尺、水平支架1、竖直支架13、通光板16和水平仪组成；所述激光器8由激光器支架9支撑，激光器支架9带有放置以及固定激光器的结构，在激光出射方向，带有一刻有十字线的透射膜，十字线的交点与激光光斑中心重合；所述带游标的测尺用来获取测量过程中的特征距离，分别与水平支架1、竖直支架13相连接；所述水平支架1用来支撑激光器8、横向和纵向水平仪和游标测尺等部件，同时通过调节附着在上面的四个带有第一微调机构的支撑腿12为测量提供一个水平基准面；所述竖直支架13用来支撑游标测尺、通光板16和水平仪14，通过销轴与水平支架1连接，能绕销轴转动，实现相对于水平支架1的开闭。测量时应保证竖直支架13与水平支架1垂直，通过连接杆20保证与水平支架间空间关系的固定；所述通光板16在中间部位带有十字刻线，提供激光对中中心，十字刻线的中心与游标对齐，和竖直游标测尺配合实现对竖直距离的测量；上述水平仪分为与水平支架1连接的横向和纵向水平仪以及与竖直支架连接的水平仪，分别保证水平支架、竖直支架的水平度、垂直度。水平距离测量以及垂直距离测量中的零基准位置均为对应的销轴中心。
下面结合附图详细说明：
图1、图2为水平支架及其附属部件的视图，其中的标号分别为：1、水平支架，2、纵向水平仪，3、左水平游标测尺，4、支撑轴，5、凸台，6、横向水平仪，7、右水平游标测尺，8、激光器，9、激光器支架，10、销轴孔，11、滑槽，12、支撑腿。
支撑腿12共四个，与水平支架1通过球销副连接，非工作状态下可以折叠收起，减小存放空间，实际测量时将支撑腿12展开，观察横向水平仪6、纵向水平仪2示数，据此判断水平支架的水平度，调节支撑腿12的第一微调机构，使得水平支架保持水平。左水平游标测尺3、右水平游标测尺7的零刻度端与销轴中心距离相同，测量时通过保证它们示值相同实现激光器运动方向垂直于销轴。
凸台5用来在非工作状态下支撑折叠的竖直支架。
图3为竖直支架及其附属部件视图，其中的标号分别为：13、竖直支架，14、水平仪，15、左侧竖直游标测尺，16、通光板，17、右侧竖直游标测尺，18、通光板安装槽，19、销轴孔。
竖直支架13通过销轴与水平支架1连接，测量时，需要将其绕销轴转动，在将近竖直位置处观测水平仪14确定其偏离铅垂方向的方位，从而通过调节连接杆20上的第二微调机构，使得竖直支架13的垂直度满足要求。竖直支架上的通光板安装槽18用于将通光板16安装到竖直支架的滑槽内，通光板16在滑槽内移动时左侧竖直游标测尺、右侧竖直游标测尺分别显示通光板16下端在测尺上的距离值，通光板16上的十字线中心与通光板下端位于同一水平面。左竖直游标测尺、右竖直游标测尺零刻度端距销轴中心的距离相同，测量时通过保证它们示值相同实现通光板运动方向垂直于销轴。
图4为激光游标测尺式测高仪的整体示意图，其中的标号20代表连接杆，用来保持水平支架与竖直支架间的相对位置，其上带有所述第二微调机构用于实现对竖直支架倾角的微调。
上述所述的测高仪的具体操作步骤为，（1）将水平支架1的四个支撑腿12打开，同时将竖直支架13展开成与水平支架1约垂直的角度；（2）根据测量要求调节支撑腿12高度，使得水平支架1的水平度满足要求；（3）保持水平支架1不动，绕销轴微调竖直支架13，使得竖直支架13的垂直度满足要求；（4）进行测量。
上述步骤（2）的具体实施方式为，观测附着在水平支架1上的两个水平仪（即横向水平仪和纵向水平仪）的示值，以此判断水平支架1的倾斜方向，进而通过四个支撑腿12的第一微调机构对它们的高度进行微调，直至水平仪的示值满足要求。
上述步骤（3）的具体实施方式为，观测附着在竖直支架13上的水平仪的示值，以此判断竖直支架13的倾斜方向，进而调节连接杆上的第二微调机构，直至水平仪显示竖直支架的垂直度满足要求。
请参阅图5所示，步骤4的具体步骤如下：
（10.1）标定出水平方向左水平游标测尺3、右水平游标测尺7、竖直方向左竖直游标测尺15、右竖直游标测尺17的零位相对于水平支架1、垂直支架13连接销轴中心的距离值l0、h0；
（10.2）通电使得激光器8正常工作后，将激光器8沿着水平方向移动到位置1，然后转动激光器8使得所发射激光光斑照射到被测物体21最高点，固定住激光器8，然后调节通光板16使得通过十字线中心标记的激光光斑中心与通光板16上的十字线中心重合，记录下各游标测尺的测量值l1、h1；
（10.3）将激光器8移动到位置2，转动激光器8使得所发射激光光斑照射到被测物体最高点，固定住激光器8，然后调节通光板16使得激光光斑中心与通光板16上的十字线中心重合，得到距离l2、h2；
（10.4）设被测高度值为H，根据几何关系有
l 0 + l 1 l 0 + l 1 + x = h 0 + h 1 H l 0 + l 2 l 0 + l 2 + x = h 0 + h 2 H
整理得
H = ( h 0 + h 1 ) ( h 0 + h 2 ) ( l 2 - l 1 ) ( h 0 + h 1 ) ( l 0 + l 2 ) - ( h 0 + h 2 ) ( l 0 + l 1 ) .
步骤4的第二种实施例，如图6所示，步骤如下：
（11.1）标定出水平方向游标测尺、竖直方向游标测尺零位相对于水平支架1、垂直支架13连接销轴中心的水平距离l0、垂直距离h0；
（11.2）通电使得激光器8正常工作后，将激光器8沿着水平方向移动到位置1，然后转动激光器8使得所发射激光光斑照射到被测物体21最高点，固定住激光器8，然后调节通光板16使得通过十字线中心标记的激光光斑中心与通光板16上的十字线中心重合，记录下此时各游标测尺的测量值l1、h1；
（11.3）分别将激光器8移动到位置2，……，i，转动激光器8使得所发射激光光斑照射到被测物体最高点，固定住激光器8，然后调节通光板16使得激光光斑中心与通光板16上的十字线中心重合，，得到距离l2、h2，……，li、hi；
（11.4）设被测高度值为H，根据几何关系有
l 0 + l 1 l 0 + l 1 + x = h 0 + h 1 H l 0 + l 2 l 0 + l 2 + x = h 0 + h 2 H · · · l 0 + l i l 0 + l i + x = h 0 + h i H
整理得，
H ( 1 ) = ( h 0 + h 1 ) ( h 0 + h 2 ) ( l 2 - l 1 ) ( h 0 + h 1 ) ( l 0 + l 2 ) - ( h 0 + h 2 ) ( l 0 + l 1 )
·
·
·
H ( i - 1 ) = ( h 0 + h i - 1 ) ( h 0 + h i ) ( l i - l i - 1 ) ( h 0 + h i - 1 ) ( l 0 + l i ) - ( h 0 + h i ) ( l 0 + l i - 1 )
求均值得，
H = H ( 1 ) + H ( 2 ) + · · · H ( i - 1 ) i - 1 .
在本发明的高度测量方法中，激光器和通光板移动方向的准确性，不但通过结构设计，而且通过移动过程中对应左右测尺示值的一致性保证。

Claims (10)

1.一种激光游标测尺式测高仪，其特征在于：主要由激光器（8）、水平支架（1）、竖直支架（13）、左水平游标测尺（3）、右水平游标测尺（7）、左竖直游标测尺（15）、右竖直游标测尺（17）和通光板（16）组成，其中，水平支架（1）与竖直支架（13）通过销轴连接，且在测量过程中需保证水平支架（1）与竖直支架（13）的测量平面分别与水平线和垂线平行；所述左水平游标测尺（3）和右水平游标测尺（7）分别平行地设置在水平支架（1）的左右两侧且左水平游标测尺（3）和右水平游标测尺（7）的零刻度端与销轴中心距离相等；所述左竖直游标测尺（15）和右竖直游标测尺（17）分别平行地设置在竖直支架（13）的左右两侧且左竖直游标测尺（15）和右竖直游标测尺（17）的零刻度端与销轴中心的距离相等；所述激光器设置在左水平游标测尺（3）和右水平游标测尺（7）之间，所述通光板设置在左竖直游标测尺（15）和右竖直游标测尺（17）之间；测量时，激光器（8）所发射激光光斑照射到被测物体（21）最高点时，固定激光器（8），调节通光板（16）保证通过十字线中心标记的激光光斑中心与通光板的十字线中心重合。
2.如权利要求1所述的测高仪，其特征在于：所述激光器（8）安装在激光器支架（9）上，所述激光器支架（9）通过激光器支撑轴（4）设置在左水平游标测尺（3）和右水平游标测尺（7）之间并在水平支架（1）上平移。
3.如权利要求2所述的测高仪，其特征在于：所述激光器支架（9）带有放置以及固定激光器（8）的结构，所述激光器在激光出射方向，带有一刻有十字线的透射膜，十字线的交点与激光光斑中心重合。
4.如权利要求1所述的测高仪，其特征在于：所述水平支架（1）带有四个可折叠且可伸缩的支撑腿（12），所述支撑腿（12）上设置有第一微调机构保证水平支架（1）水平。
5.如权利要求1所述的测高仪，其特征在于：所述水平支架（1）在横向和纵向分别设置有横向水平仪（6）和纵向水平仪（2），通过观察横向水平仪和纵向水平仪的示数判断水平支架的水平度。
6.如权利要求1所述的测高仪，其特征在于：所述测高仪进一步设置有连接杆（20），所述连接杆（20）的一端铰接在水平支架或竖直支架上，另一端滑动地连接在竖直支架或水平支架上，借此调整竖直支架的竖直度；所述连接杆（20）上进一步设置有第二微调机构保证竖直支架的垂直度。
7.如权利要求1所述的测高仪，其特征在于：所述竖直支架（13）设置有供通光板滑动的滑槽。
8.如权利要求1所述的测高仪，其特征在于：所述竖直支架（13）设置有水平仪（14）作为其垂直度的度量器件。
9.如权利要求1所述的测高仪，其特征在于：所述通光板十字线中心与通光板下端平齐。
10.一种如权利要求1至9中任意一项所述的测高仪的高度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
（10.1）标定出水平方向游标测尺、竖直方向游标测尺零位相对于水平支架（1）、竖直支架（13）连接销轴中心的水平距离l0和竖直距离h0；
（10.2）通电使得激光器（8）正常工作后，将激光器（8）沿着水平游标测尺方向移动到位置1，然后转动激光器（8）使得所发射激光光斑照射到被测物体（21）最高点，固定住激光器（8），然后调节通光板（16）使得通过十字线中心标记的激光光斑中心与通光板（16）上的十字线中心重合，记录下各游标测尺的测量值l1、h1；
（10.3）将激光器（8）移动到位置2，转动激光器（8）使得所发射激光光斑照射到被测物体最高点，固定住激光器（8），然后调节通光板（16）使得激光光斑中心与通光板（16）上的十字线中心重合，得到距离l2、h2；（10.4）设被测高度值为H，根据几何关系有
l 0 + l 1 l 0 + l 1 + x = h 0 + h 1 H l 0 + l 2 l 0 + l 2 + x = h 0 + h 2 H
整理得
H = ( h 0 + h 1 ) ( h 0 + h 2 ) ( l 2 - l 1 ) ( h 0 + h 1 ) ( l 0 + l 2 ) - ( h 0 + h 2 ) ( l 0 + l 1 ) .
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