CN105066955B - 一种水准测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水准测量装置及其测量方法，所述测量装置包括水准尺及通过紧固件安装在水准尺上的照明装置，所述照明装置由盒体及照明部件组成，所述盒体由左腔体、中部腔体及右腔体连接构成，在左腔体和右腔体之间形成一个用于卡住水准尺的安装槽；所述照明部件包括点光源、凸透镜及平面镜，其中点光源和凸透镜安装在左腔体上，平面镜通过万向节安装在右腔体上，所述左腔体内还设置有蓄电池，在左腔体外侧设置有控制开关；所述测量方法包括安装照明装置、调节平面镜、调节水准尺及测量几个步骤。本发明通过生成平行光给水准尺照明，使得照射到水准尺面的光强均匀、稳定、不发散，可大大提高水准测量在弱光或者黑暗环境下的精度、效率和质量。
Description
技术领域
本发明属于土木工程测量领域，具体是涉及一种水准测量装置，广泛应用于弱光或者黑暗环境下水准测量时的水准尺照明。
背景技术
水准测量是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。通过在地面两点间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按尺上读数即可计算出两点间的高差。水准尺是水准测量时使用的标尺，其自身材料特性和在测量中所处的环境会直接影响到测量结果的精度。为了保证测量精度，目前，大部分仪器厂商通常会给水准仪配置一套标有条码的高精度铟钢水准尺，其材料刚度、稳定性都非常好，但没有相应的照明装置，因此在弱光或者黑暗环境下使用时，水准仪的测量精度会大大降低，有时甚至会因为光线问题而无法识别水准尺条码，导致测量无法进行。特别是在隧洞、大坝廊道、地下厂房等部位进行水准测量时，这种劣势表现更为突出。通常在上述情况下，现场人员需要制造人工光源给水准尺照明，以完成水准测量工作。目前采用的手段是工作人员手持电筒进行照明，这种方式操作简单，照明设备非常容易获得，但由于手电筒的光存在光强不稳定、不均匀、易发散等弱点，因此当手电筒与水准尺距离较近时，存在照明亮度强但照明范围过小的问题，而当距离过远时，又存在照明范围较大但亮度不够的问题，从而需要花费大量的时间来人工调整手电筒与水准尺之间的距离和照明角度，另外手电筒自身的电池续航能力明显不足，无法保证测量的连续性。
为克服采用人工照明所存在的不足，目前出现了各种各样的带有照明装置的水准尺，例如，公开号为CN203349815U的中国专利公开了一种夜用照明水准尺，该技术方案提出了一种内嵌LED灯的照明装置，通过在水准尺上下滑动该装置，可对水准尺任意位置进行照明。这种方法虽然可以满足照明需求，且LED灯照明光强均匀、亮度高，但该装置本身的照明范围有限，只有当该装置滑动到刚好处于水准仪需要识别条码的部分时才能进行测量，因此不易操作，且浪费时间。
再如，公开号CN102853814A的中国专利公开了一种使用变色发光二极管补充光源的水准尺，该技术方案提出了在水准尺左右分列平均布设发光二极管，同时分为上、中、下三组进行统一控制，通过开关来调节照明亮度和范围。虽然这种方法可以实现对照明亮度和范围的调节，但是现场测量的条件有限，如果沿水准尺布置安装两列二极管，那么该装置就不可避免的存在着不易携带、后期的维护保养难等问题。
发明内容
本发明的目前在于针对现有水准尺所存在的不足，提供了一种水准测量装置。该照明装置能够提供光强稳定、均匀、不发散的平行光对水准尺进行照明，具有可照明的范围大、易于调节、尺寸小、耗电小、便于携带、维护保养简单、使用寿命长等优点。
本发明是通过如下技术方案予以实现的。
一种水准测量装置，包括水准尺及通过紧固件安装在水准尺上的照明装置，所述照明装置由盒体及照明部件组成，所述盒体由左腔体、中部腔体及右腔体连接构成，在左腔体和右腔体之间形成一个用于卡住水准尺的安装槽；所述照明部件包括点光源、凸透镜及平面镜，其中点光源和凸透镜安装在左腔体上，平面镜通过万向节安装在右腔体上，且凸透镜和平面镜分别位于水准尺两侧。
所述左腔体内还设置有蓄电池。
所述左腔体外侧设置有控制开关。
所述点光源置于凸透镜的焦点处。
所述凸透镜为薄圆透镜。
本发明还提供了一种水准测量方法，具体方法步骤如下：
(1)、安装照明装置：将照明装置盒体上的安装槽固定安装在靠近水准尺的上端或者下端位置上，使水准尺处于安装槽内；
(2)、调节平面镜：打开控制开关使得点光源发光，接着通过万向节调节平面镜与水平面的角度，当平行光照射到水准尺的尺面上的范围最大时即可停止调节；
(3)、调节水准尺：待步骤中的平面镜调节好后，将水准尺立于水准测点上，调平水准尺并固定；
(4)、微调平面镜及测量：根据测量现场的光环境情况，可通过万向节微调平面镜与竖直面的角度，使得照射在水准尺上的光强适宜，将水准仪照准水准尺，当水准仪可以准确识别到水准尺的条码时，即可进行测量。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，采用本发明所述的照明装置，通过生成平行光给水准尺照明，平行光具有照射强度不沿传播方向而改变的特性，因此照射到水准尺面的光强均匀、稳定、不发散，可大大提高水准测量在弱光或者黑暗环境下的精度、效率、质量；同时通过调节平面镜与竖直面的角度即可实现对光强的调节，通过调节平面镜与水平面的角度即可实现对照明范围的调节，因此具有照明范围广、照明亮度可控等优点，实用性和适用性强。本发明整体尺寸可以控制在较小的范围内，因此其制作加工简单、安装操作方便、易于携带，给现场测量人员提供很大的便利。
附图说明
图1为本发明的平面结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明的立体结构示意图；
图4为3中去掉盒体上盖后的结构示意图；
图5为本发明中照明装置的外部结构示意图；
图6为本发明中照明装置的内部结构示意图；
图7为采用本发明照明范围计算原理图；
图8为不同夹角所对应量程系数分布图。
图中：1-盒体，2-安装槽，3-点光源，4-蓄电池，5-控制开关，6-凸透镜，7-平面镜，8-万向节，9-水准尺，10-紧固件，11-锁紧孔，12-左腔体，13-中部腔体，14-右腔体。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1至图7所示，本发明所述的一种水准测量装置，包括水准尺9及通过紧固件10安装在水准尺9上的照明装置，所述照明装置由盒体1及照明部件组成，所述盒体1由左腔体12、中部腔体13及右腔体14连接构成，在左腔体12和右腔体14之间形成一个用于卡住水准尺9的安装槽2；所述照明部件包括点光源3、凸透镜6及平面镜7，其中点光源3和凸透镜6安装在左腔体12上，平面镜7通过万向节8安装在右腔体14上，且凸透镜6和平面镜7分别位于水准尺9两侧。本技术方案在实施过程中，所述安装槽2内通过一旋紧螺丝固定水准尺9，所述水准尺9为水准测量中常用的铟钢水准尺，所述左腔体12为光源制造端，在安装时将点光源置于所述凸透镜6的焦点处，所述右腔体14为光源接收端，所述光源接收端为一平面 镜7，所述平面镜7通过一万向节8可以任意调整其与水平面和竖直面的角度。在照明时，点光源3发射的光线通过所述凸透镜6后即可产生一束平行光线，所述平行光线经平面镜7反射到所述水准尺9的尺面上，即完成对所述水准尺9的照明。通过调节平面镜7与竖直面的角度可以实现对平行光光强的调节，通过调节所述平面镜7与水平面的角度可以实现对平行光照明范围的调节。
所述左腔体12内还设置有蓄电池4。蓄电池4的作用是对点光源3进行供电。
所述左腔体12外侧设置有控制开关5。控制开关5的作用是控制点光源3的打开或关闭。
所述点光源3置于凸透镜6的焦点处。
所述点光源3采用灯泡或二极管。
所述凸透镜6为薄圆透镜。
所述左腔体12和右腔体14上分别设置有锁紧孔11。在安装水准尺9时，锁紧件10通过锁紧孔11将水准尺9固定在盒体1的安装槽2内；在本发明中，紧固件10采用螺钉，锁紧孔11为与螺钉相匹配的螺纹孔，在安装水准尺9时，直接采用螺钉插入螺纹孔拧紧即可将水准尺9固定即可，安装条件方便。
本发明在制作时，其照明装置的具体尺寸主要受到凸透镜焦距、铟钢水准尺宽度、反射板长度等控制，可根据实际需要进行生产。对于常用的3m或者2m长的水准尺，只需要选择的凸透镜直径为5cm，按照上述安装方式将水准尺固定即可实现照明目的。本发明照明装置的外形尺寸优选为25cm×10cm×10cm(长×宽×高)，盒体1采用硬塑材料制作，质量较轻，测量完成后即可将照明装置单独收纳保管，便于保护。
采用本发明所述的测量装置进行水准测量的步骤如下：
(1)、安装照明装置：将照明装置盒体1上的安装槽2固定安装 在靠近水准尺1的上端或者下端位置上，使水准尺9处于安装槽2内；
(2)、调节平面镜：打开控制开关5使得点光源3发光，接着通过万向节8调节平面镜7与水平面的角度，当平行光照射到水准尺9的尺面上的范围最大时即可停止调节；
(3)、调节水准尺：待步骤2中的平面镜7调节好后，将水准尺9立于水准测点上，调平水准尺9并固定；
(4)、微调平面镜及测量：根据测量现场的光环境情况，可通过万向节8微调平面镜7与竖直面的角度，使得照射在水准尺9上的光强适宜，将水准仪照准水准尺9，当水准仪可以准确识别到水准尺9的条码时，即可进行测量。
采用本发明所述的装置在进行下一个水准测点的测量时，调节方法同上，在多数情况下，不再需要调整平面镜7与水平面的角度，而仅仅需要微调其与竖直面的角度，即微调光强即可。完成整个水准测量工作后，将本照明装置卸下，妥善收纳保管好本装置和水准尺9，以备下次使用。
下面结合附图对本发明的照明范围进行推导如下：
如图7所示，令凸透镜6的直径为LAB，通过凸透镜6最远的端点A和端点B的平行光照射到平面镜7上的F点和E点，经反射后照射到水准尺9尺面的C点和D点，假设平面镜7与水平面之间的夹角为θ，那么LCD即为所要求的照亮范围。
依据光的反射原理，经过简单的几何计算，可得到最后LCD的计算式为：
令照明的量程系数为K：
从上式(1)、(2)可知，照明量程主要受凸透镜6的直径LAB和照明量程系数K这两个量控制。经计算，不同夹角θ所对应量程系数K的取值范围和分布情况见表1和图8。由表1和图8可知，照明的量程系数K是对称分布的，为了扩大照明范围，当凸透镜6的直径LAB为一个已知常量时，量程系数K的取值范围为1～39.40，对应的夹角θ为39°～141°，虽然所取度数均为整数，未计算小数的情况，但是可以确定的是：通过调整平面镜7与水平面之间的夹角θ，本发明可将水准尺9照亮的最大范围约为凸透镜6直径LAB的39倍，即照明量程为±39×LAB。例如当凸透镜6的直径仅为10cm时，本装置照亮水准尺的范围就可达到±390cm，意味着本发明的照明范围可满足目前绝大多数水准尺的照明目的。
从表1可知，当θ角度在50°～130°之间时，其量程系数K均小于3，表明当θ在此角度范围内时，可照明范围将大大减小。通过式(1)可知，此时如果仅增大凸透镜6的直径LAB是可以增大照明范围的，但是这样会导致本发明的体积增大而不利于携带，同时也增加了制作难度和成本，可见仅依靠增大凸透镜6的直径LAB是不科学的。
在水准测量中，实际上我们只需要将水准仪需要在水准尺9上采集数据条码的那一部分尺面照亮，测量就可以正常进行。通过图7可看出，当调整平面镜7与水平面之间的夹角为θ时，反射光照射到越远处，其将尺面照亮的范围越大，因此在测量时宜将条码装置安装在靠近水准尺9的上端或者下端(不宜处于靠近中间位置)，使得夹角θ的可调范围处于131°～141°或39°～49°之间，从而采用很简单的安装方式就可以有效解决上述问题。
表1不同夹角θ所对应量程系数K值的计算汇总表
Claims (4)
1.一种水准测量装置，其特征在于：包括水准尺(9)及通过紧固件(10)安装在水准尺(9)上的照明装置，所述照明装置由盒体(1)及照明部件组成，所述盒体(1)由左腔体(12)、中部腔体(13)及右腔体(14)连接构成，在左腔体(12)和右腔体(14)之间形成一个用于卡住水准尺(9)的安装槽(2)；所述照明部件包括点光源(3)、凸透镜(6)及平面镜(7)，其中点光源(3)和凸透镜(6)安装在左腔体(12)上，平面镜(7)通过万向节(8)安装在右腔体(14)上，且凸透镜(6)和平面镜(7)分别位于水准尺(9)两侧；所述左腔体(12)内还设置有蓄电池(4)；所述点光源(3)置于凸透镜(6)的焦点处；所述左腔体(12)和右腔体(14)上分别设置有锁紧孔(11)，锁紧件(10)通过锁紧孔(11)将水准尺(9)固定在盒体(1)的安装槽(2)内。
2.根据权利要求1所述的一种水准测量装置，其特征在于：所述左腔体(12)外侧设置有控制开关(5)。
3.根据权利要求1所述的一种水准测量装置，其特征在于：所述凸透镜(6)为薄圆透镜。
4.一种采用如权利要求1-3任意一项所述水准测量装置进行水准测量的方法，其特征在于：具体方法步骤如下：
(1)、安装照明装置：将照明装置盒体(1)上的安装槽(2)固定安装在靠近水准尺(1)的上端或者下端位置上，使水准尺(9)处于安装槽(2)内；
(2)、调节平面镜：打开控制开关(5)使得点光源(3)发光，接着通过万向节(8)调节平面镜(7)与水平面的角度，当平行光照射到水准尺(9)的尺面上的范围最大时即可停止调节；
(3)、调节水准尺：待步骤(2)中的平面镜(7)调节好后，将水准尺(9)立于水准测点上，调平水准尺(9)并固定；
(4)、微调平面镜及测量：根据测量现场的光环境情况，可通过万向节(8)微调平面镜(7)与竖直面的角度，使得照射在水准尺(9)上的光强适宜，将水准仪照准水准尺(9)，当水准仪可以准确识别到水准尺(9)的条码时，即可进行测量。
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