CN113405507A - 一种数显式高差仪及测量方法 - Google Patents

一种数显式高差仪及测量方法 Download PDF

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CN113405507A CN202110527480.7A CN202110527480A CN113405507A CN 113405507 A CN113405507 A CN 113405507A CN 202110527480 A CN202110527480 A CN 202110527480A CN 113405507 A CN113405507 A CN 113405507A
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韩璐
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Abstract

本发明涉及测量领域，具体为一种数显式高差仪及测量方法，包括壳体、多联角位移传感器、电池组件、解算处理模块、显示模块、开关按钮、铅锤式摇臂、第一测量摇臂、第二测量摇臂；所述多联角位移传感器固定在壳体内；所述多联角位移传感器的转轴上同轴设置有铅锤式摇臂、第一测量摇臂、第二测量摇臂，在壳体上分别安装电池组件、解算处理模块、显示模块、开关按钮，组成完整电路系统。克服了现有技术中的缺点，通过角位移传感器采集角度，三角函数解算直接读取两点高度差的方法。使用方法简单，操作方便，成本较低；本发明体积较小，对使用空间要求低，适用于各种场景、空间内使用。

Description

一种数显式高差仪及测量方法
技术领域
本发明涉及测量领域，数字化测量两点的高度差。具体为一种数显式高差仪及测量方法。
背景技术
对于飞机制造领域和工程、工业领域常常需要测量两个点的相对高度差，多采用人工使用直尺测量，该方式误差较大，与航空制造领域高精度的要求不符，若采用激光跟踪仪器测量，则成本高、操作复杂且需开阔空间，使用费时费力，且需专业人员操作，不利于广泛使用。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种通过角位移传感器采集角度，三角函数解算直接读取两点高度差的方法。
技术方案
一种数显式高差仪，包括壳体1、多联角位移传感器2、电池组件3、解算处理模块4、显示模块5、开关按钮6、铅锤式摇臂7、第一测量摇臂8、第二测量摇臂9；
所述多联角位移传感器2固定在壳体1内；所述多联角位移传感器2的转轴上同轴设置有铅锤式摇臂7、第一测量摇臂8、第二测量摇臂9，在壳体1上分别安装电池组件3、解算处理模块4、显示模块5、开关按钮6，组成完整电路系统。
所述铅锤式摇臂7、第一测量摇臂8、第二测量摇臂9可沿多联角位移传感器2的转轴自由旋转。
所述第一测量摇臂8、第二测量摇臂9前端设有测量尖端，铅锤式摇臂7的前端为铅锤结构，保证铅锤式摇臂7始终垂直向下。
所述第一测量摇臂8与第二测量摇臂9等长。
一种数显式高差仪的测量方法，包括如下步骤：
第一测量摇臂8和第二测量摇臂9长度已知，测量两个空间点的高度差，先设置多联角位移传感器2的零位，按压开关按钮6后，将第一测量摇臂8、第二测量摇臂9的测量端接触需测量的两点，并保持铅锤式摇臂7在自由摆动的垂直状态下，此时第一测量摇臂8、第二测量摇臂9、铅锤式摇臂7形成三个角度值，经解算处理模块4判断第一测量摇臂8、第二测量摇臂9、铅锤式摇臂7形成的三个角度值的大小关系。
判定选取解算公式，即若铅锤式摇臂7的角度值介于第一测量摇臂8和第二测量摇臂9的角度值之间，
则选取图2的解算公式计算，其中b、e点为需测量高度差的两点，a点为多联角位移传感器转轴中心点，ag是多联角位移传感器2设置的基准零位，ae是第一测量摇臂8的长度ab是第二测量摇臂9的长度，bc是b、e点的高度差，ad为铅锤式摇臂7延长线，其中d点为铅锤式摇臂7延长线与ce的交点，f为铅锤式摇臂7延长线与b、e两点连线的的交点，α1是第一测量摇臂8的转动角度，α3是第二测量摇臂9的转动角度，α2是铅锤式摇臂7的转动角度，α4为线ab、af夹角，α5为线ae、af夹角,α6为线ab、ae夹角，α7为线ba、be夹角，α8为线fb、fa夹角,α9为线ea、ef夹角,α10为线fd、fe夹角,α11为线ed、ef夹角,α12为线da、de夹角且为直角，α13为线ce、cb夹角且为直角。
已知三角形△abe，ab、ae两边长且ab＝ae，已知角α1、α2、α3，
当α3>α2>α1时，由图2可知：
α4＝α3-α2
α5＝α2-α1
α6＝α3-α1
α12＝α13＝90°
三角形△abe由余玄定理得：be2＝ae2+ab2-2(ae×ab)cosα6 ①
由正玄定理得：
Figure BDA0003066590890000031
由①②可得角α9、α7和线be
由三角形△abf，三角形内角和→α8＝180°-α4-α7
由
Figure BDA0003066590890000032
推出：→bf＝(ab×sinα4)/sinα8得bf
故：fe＝be-bf
由三角形△ade，得α11＝90°-α5-α9
由三角形△fde，
Figure BDA0003066590890000033
因三角形△bce与△fde为相似三角形，则得：
Figure BDA0003066590890000041
若铅锤式摇臂7的角度值均小于臂第一测量摇臂8和摇臂第二测量摇臂9的角度值，则选取图3的解算公式计算；
其中b、e点为需测量高度差的两点，a点为多联角位移传感器转轴的中心点，ag是多联角位移传感器2设置的基准零位，ae是第一测量摇臂8的长度ab是第二测量摇臂9的长度，bc是b、e点的高度差，ad为铅锤式摇臂7延长线，其中d点为铅锤式摇臂7延长线与ce的交点，β1是第一测量摇臂8的转动角度，β3是第二测量摇臂9的转动角度，β2是铅锤式摇臂7的转动角度，β4为线ae、ad夹角，β5为线ab、ae夹角,β6为线ba、be夹角，β7为线eb、ea夹角，β9为线da、de夹角且为直角，β10为线cd、cb夹角且为直角,β11为线ed、ea夹角,β12为线ec、eb夹角。
已知三角形△abe，ab、ae两边长且ab＝ae，已知角β1、β2、β3，
当β3>β1>β2时，由图3可知：
β4＝β1-β2
β5＝β3-β1
β8＝β9＝β10＝90°
三角形△abe由余玄定理得：be2＝ab2+ae2-2(ae×ab)cosβ5 ①
由正玄定理得：
Figure BDA0003066590890000042
由①②可得角β6、β7和线be
由三角形△ade，三角形内角和→β11＝180°-β4-β9→β12＝180°-β7-β11
由三角形△bce，三角函数bc＝besinβ12→得bc
若铅锤式摇臂7的角度值大于第一测量摇臂8和第二测量摇臂9的角度值，则选取图4的解算公式计算；
其中b、e点为需测量高度差的两点，a点为多联角位移传感器转轴的中心点，ag是多联角位移传感器2设置的基准零位，ae是第一测量摇臂8的长度，ab是第二测量摇臂9的长度，ec是b、e点的高度差，ad为铅锤式摇臂7延长线，其中d点为铅锤式摇臂7延长线与cb的交点，δ1是第一测量摇臂8的转动角度，δ3是第二测量摇臂9的转动角度，δ2是铅锤式摇臂7的转动角度，δ4为线ae、ab夹角，δ5为线ab、ad夹角,δ6为线ea、eb夹角，δ7为线ba、be夹角，δ8为线be、bc夹角，δ9为线ba、bd夹角，δ10为线cd、ce夹角且为直角,δ11为线da、dc夹角且为直角。
已知三角形△abe，ab、ae两边长且ab＝ae，已知角δ1、δ2、δ3，
当δ2>δ1>δ3时，由图3可知：
δ4＝δ3-δ1
δ5＝δ2-δ3
δ10＝δ11＝90°
三角形△abe由余玄定理得：be2＝ab2+ae2-2(ae×ab)cosδ4 ①
由正玄定理得：
Figure BDA0003066590890000051
由①②可得角δ6、δ7和线be
由三角形△adb，三角形内角和→δ9＝180°-δ5-δ11→δ8＝180°-δ7-δ9
由三角形△bce，三角函数ec＝bcsinδ8→得ec
经解算处理模块4解算，在显示模块5上显示两点的高度差。
技术效果
与现有技术相比，本发明的有益效果(优点)是：
1、通过角位移传感器测量角度，三角函数解算，显示模块显示直接读取高度差值，测量精度高，效率高；
2、本发明使用方法简单，操作方便，成本较低；
3、本发明体积较小，对使用空间要求低，适用于各种场景、空间内使用。
附图说明
图1是总体示意图；
图2是第一种状态下的测量原理图；
图3是第二种状态下的测量原理图；
图4是第三种状态下的测量原理图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：(第一测量摇臂8和第二测量摇臂9长度已知)测量两个空间点的高度差，如b、c两点高度差，先设置多联角位移传感器2的零位(即ag)，按压开关按钮6，将多第一测量摇臂测量端接触b或c点，将第二测量摇臂测量端接触c或b点，并保持铅锤式摇臂7在自由摆动的垂直状态下，此时多联角位移传感器2的第一测量摇臂8、第二测量摇臂9、铅锤式摇臂7形成三个角度值，经解算处理模块4判断第一测量摇臂8、第二测量摇臂9、铅锤式摇臂7形成的三个角度值的大小关系，判定选取解算公式，即若铅锤式摇臂7的角度值介于第一测量摇臂8和第二测量摇臂9的角度值之间，则选取图2的解算公式计算；若铅锤式摇臂7的角度值均小于臂第一测量摇臂8和摇臂第二测量摇臂9的角度值，则选取图3的解算公式计算；若铅锤式摇臂7的角度值大于第一测量摇臂8和第二测量摇臂9的角度值，则选取图4的解算公式计算；经解算处理模块4解算，在显示模块5上显示两点(b、e)的高度差。
测量方法，包括如下步骤：
第一测量摇臂8和第二测量摇臂9长度已知，测量两个空间点的高度差，先设置多联角位移传感器2的零位，按压开关按钮6后，将第一测量摇臂8、第二测量摇臂9的测量端接触需测量的两点，并保持铅锤式摇臂7在自由摆动的垂直状态下，此时第一测量摇臂8、第二测量摇臂9、铅锤式摇臂7形成三个角度值，经解算处理模块4判断第一测量摇臂8、第二测量摇臂9、铅锤式摇臂7形成的三个角度值的大小关系。
判定选取解算公式，即若铅锤式摇臂7的角度值介于第一测量摇臂8和第二测量摇臂9的角度值之间，
则选取图2的解算公式计算，其中b、e点为需测量高度差的两点，a点为多联角位移传感器转轴中心点，ag是多联角位移传感器2设置的基准零位，ae是第一测量摇臂8的长度ab是第二测量摇臂9的长度，bc是b、e点的高度差，ad为铅锤式摇臂7延长线，其中d点为铅锤式摇臂7延长线与ce的交点，f为铅锤式摇臂7延长线与b、e两点连线的的交点，α1是第一测量摇臂8的转动角度，α3是第二测量摇臂9的转动角度，α2是铅锤式摇臂7的转动角度，α4为线ab、af夹角，α5为线ae、af夹角,α6为线ab、ae夹角，α7为线ba、be夹角，α8为线fb、fa夹角,α9为线ea、ef夹角,α10为线fd、fe夹角,α11为线ed、ef夹角,α12为线da、de夹角且为直角，α13为线ce、cb夹角且为直角。
已知三角形△abe，ab、ae两边长且ab＝ae，已知角α1、α2、α3，
当α3>α2>α1时，由图2可知：
α4＝α3-α2
α5＝α2-α1
α6＝α3-α1
α12＝α13＝90°
三角形△abe由余玄定理得：be2＝ae2+ab2-2(ae×ab)cosα6 ①
由正玄定理得：
Figure BDA0003066590890000081
由①②可得角α9、α7和线be
由三角形△abf，三角形内角和→α8＝180°-α4-α7
由
Figure BDA0003066590890000091
推出：→bf＝(ab×sinα4)/sinα8得bf
故：fe＝be-bf
由三角形△ade，得α11＝90°-α5-α9
由三角形△fde，
Figure BDA0003066590890000092
因三角形△bce与△fde为相似三角形，则得：
Figure BDA0003066590890000093
若铅锤式摇臂7的角度值均小于臂第一测量摇臂8和摇臂第二测量摇臂9的角度值，则选取图3的解算公式计算；其中b、e点为需测量高度差的两点，a点为多联角位移传感器转轴的中心点，ag是多联角位移传感器2设置的基准零位，ae是第一测量摇臂8的长度ab是第二测量摇臂9的长度，bc是b、e点的高度差，ad为铅锤式摇臂7延长线，其中d点为铅锤式摇臂7延长线与ce的交点，β1是第一测量摇臂8的转动角度，β3是第二测量摇臂9的转动角度，β2是铅锤式摇臂7的转动角度，β4为线ae、ad夹角，β5为线ab、ae夹角,β6为线ba、be夹角，β7为线eb、ea夹角，β9为线da、de夹角且为直角，β10为线cd、cb夹角且为直角,β11为线ed、ea夹角,β12为线ec、eb夹角。
已知三角形△abe，ab、ae两边长且ab＝ae，已知角β1、β2、β3，
当β3>β1>β2时，由图3可知：
β4＝β1-β2
β5＝β3-β1
β8＝β9＝β10＝90°
三角形△abe由余玄定理得：be2＝ab2+ae2-2(ae×ab)cosβ5 ①
由正玄定理得：
Figure BDA0003066590890000101
由①②可得角β6、β7和线be
由三角形△ade，三角形内角和→β11＝180°-β4-β9→β12＝180°-β7-β11
由三角形△bce，三角函数bc＝besinβ12→得bc
若铅锤式摇臂7的角度值大于第一测量摇臂8和第二测量摇臂9的角度值，则选取图4的解算公式计算；
其中b、e点为需测量高度差的两点，a点为多联角位移传感器转轴的中心点，ag是多联角位移传感器2设置的基准零位，ae是第一测量摇臂8的长度，ab是第二测量摇臂9的长度，ec是b、e点的高度差，ad为铅锤式摇臂7延长线，其中d点为铅锤式摇臂7延长线与cb的交点，δ1是第一测量摇臂8的转动角度，δ3是第二测量摇臂9的转动角度，δ2是铅锤式摇臂7的转动角度，δ4为线ae、ab夹角，δ5为线ab、ad夹角,δ6为线ea、eb夹角，δ7为线ba、be夹角，δ8为线be、bc夹角，δ9为线ba、bd夹角，δ10为线cd、ce夹角且为直角,δ11为线da、dc夹角且为直角。
已知三角形△abe，ab、ae两边长且ab＝ae，已知角δ1、δ2、δ3，
当δ2>δ1>δ3时，由图3可知：
δ4＝δ3-δ1
δ5＝δ2-δ3
δ10＝δ11＝90°
三角形△abe由余玄定理得：be2＝ab2+ae2-2(ae×ab)cosδ4 ①
由正玄定理得：
Figure BDA0003066590890000111
由①②可得角δ6、δ7和线be
由三角形△adb，三角形内角和→δ9＝180°-δ5-δ11→δ8＝180°-δ7-δ9
由三角形△bce，三角函数ec＝bcsinδ8→得ec
经解算处理模块4解算，在显示模块5上显示两点的高度差。

Claims (8)

1.一种数显式高差仪，其特征在于：包括壳体(1)、多联角位移传感器(2)、电池组件(3)、解算处理模块(4)、显示模块(5)、开关按钮(6)、铅锤式摇臂(7)、第一测量摇臂(8)、第二测量摇臂(9)；所述多联角位移传感器(2)固定在壳体(1)内；所述多联角位移传感器(2)的转轴上同轴设置有铅锤式摇臂(7)、第一测量摇臂(8)、第二测量摇臂(9)，在壳体(1)上分别安装电池组件(3)、解算处理模块(4)、显示模块(5)、开关按钮(6)，组成完整电路系统。
2.根据权利要求1所述的一种数显式高差仪，其特征在于：所述铅锤式摇臂(7)、第一测量摇臂(8)、第二测量摇臂(9)可沿多联角位移传感器(2)的转轴自由旋转。
3.根据权利要求1所述的一种数显式高差仪，其特征在于：所述第一测量摇臂(8)、第二测量摇臂(9)前端设有测量尖端，铅锤式摇臂(7)的前端为铅锤结构，保证铅锤式摇臂(7)始终垂直向下。
4.根据权利要求1所述的一种数显式高差仪，其特征在于：所述第一测量摇臂(8)与第二测量摇臂(9)等长。
5.一种数显式高差仪的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一测量摇臂(8)和第二测量摇臂(9)长度已知，测量两个空间点的高度差，先设置多联角位移传感器(2)的零位，按压开关按钮(6)后，将第一测量摇臂(8)、第二测量摇臂(9)的测量端接触需测量的两点，并保持铅锤式摇臂(7)在自由摆动的垂直状态下，此时第一测量摇臂(8)、第二测量摇臂(9)、铅锤式摇臂(7)形成三个角度值，经解算处理模块(4)判断第一测量摇臂(8)、第二测量摇臂(9)、铅锤式摇臂(7)形成的三个角度值的大小关系。
6.根据权利要求5所述的一种数显式高差仪的测量方法，其特征在于，判定选取解算公式，若铅锤式摇臂(7)的角度值介于第一测量摇臂(8)和第二测量摇臂(9)的角度值之间，
设定b、e点为需测量高度差的两点，a点为多联角位移传感器(2)转轴中心点，ag是多联角位移传感器(2)设置的基准零位，ae是第一测量摇臂(8)的长度ab是第二测量摇臂(9)的长度，bc是b、e点的高度差，ad为铅锤式摇臂(7)延长线，其中d点为铅锤式摇臂(7)延长线与ce的交点，f为铅锤式摇臂(7)延长线与b、e两点连线的的交点，α1是第一测量摇臂(8)的转动角度，α3是第二测量摇臂(9)的转动角度，α2是铅锤式摇臂(7)的转动角度，α4为线ab、af夹角，α5为线ae、af夹角，α6为线ab、ae夹角，α7为线ba、be夹角，α8为线fb、fa夹角，α9为线ea、ef夹角，α10为线fd、fe夹角，α11为线ed、ef夹角，α12为线da、de夹角且为直角，α13为线ce、cb夹角且为直角；
已知三角形△abe，ab、ae两边长且ab＝ae，已知角α1、α2、α3，
当α3>α2>α1时，可知：
α4＝α3-α2
α5＝α2-α1
α6＝α3-α1
α12＝α13＝90
三角形Δabe由余玄定理得：be2＝ae2+ab2-2(ae×ab)cosα6①
由正玄定理得：
Figure FDA0003066590880000031
由①②可得角α9、α7和线be
由三角形Δabf，三角形内角和→α8＝180°-α4-α7
Figure FDA0003066590880000032
推出：→bf＝(ab×sinα4)/sinα8得bf
故：fe＝be-bf
由三角形Δade，得α11＝90°-α5-α9
由三角形Δfde，三角函数
Figure FDA0003066590880000033
因三角形Δbce与Δfde为相似三角形，则得：
Figure FDA0003066590880000034
7.根据权利要求5所述的一种数显式高差仪的测量方法，其特征在于，若铅锤式摇臂(7)的角度值均小于臂第一测量摇臂(8)和摇臂第二测量摇臂(9)的角度值，
设定其中b、e点为需测量高度差的两点，a点为多联角位移传感器(2)转轴的中心点，ag是多联角位移传感器(2)设置的基准零位，ae是第一测量摇臂(8)的长度ab是第二测量摇臂(9)的长度，bc是b、e点的高度差，ad为铅锤式摇臂(7)延长线，其中d点为铅锤式摇臂(7)延长线与ce的交点，β1是第一测量摇臂(8)的转动角度，β3是第二测量摇臂(9)的转动角度，β2是铅锤式摇臂(7)的转动角度，β4为线ae、ad夹角，β5为线ab、ae夹角，β6为线ba、be夹角，β7为线eb、ea夹角，β9为线da、de夹角且为直角，β10为线cd、cb夹角且为直角，β11为线ed、ea夹角，β12为线ec、eb夹角；
已知三角形Δabe，ab、ae两边长且ab＝ae，已知角β1、β2、β3，
当β3＞β1＞β2时，可知：
β4＝β1-β2
β5＝β3-β1
β8＝β9＝β10＝90°
三角形Δabe由余玄定理得：be2＝ab2+ae2-2(ae×ab)cosβ5①
由正玄定理得：
Figure FDA0003066590880000041
由①②可得角β6、β7和线be
由三角形Δade，三角形内角和→β11＝180°-β4-β9→β12＝180°-β7-β11
由三角形Δbce，三角函数bc＝besinβ12→得bc。
8.根据权利要求5所述的一种数显式高差仪的测量方法，其特征在于，若铅锤式摇臂(7)的角度值大于第一测量摇臂(8)和第二测量摇臂(9)的角度值，
设定其中b、e点为需测量高度差的两点，a点为多联角位移传感器(2)转轴的中心点，ag是多联角位移传感器(2)设置的基准零位，ae是第一测量摇臂(8)的长度，ab是第二测量摇臂(9)的长度，ec是b、e点的高度差，ad为铅锤式摇臂(7)延长线，其中d点为铅锤式摇臂(7)延长线与cb的交点，δ1是第一测量摇臂(8)的转动角度，δ3是第二测量摇臂(9)的转动角度，δ2是铅锤式摇臂(7)的转动角度，δ4为线ae、ab夹角，δ5为线ab、ad夹角，δ6为线ea、eb夹角，δ7为线ba、be夹角，δ8为线be、bc夹角，δ9为线ba、bd夹角，δ10为线cd、ce夹角且为直角，δ11为线da、dc夹角且为直角；
已知三角形Δabe，ab、ae两边长且ab＝ae，已知角δ1、δ2、δ3，
当δ2＞δ1＞δ3时，可知：
δ4＝δ3-δ1
δ5＝δ2-δ3
δ10＝δ11＝90°
三角形Δabe由余玄定理得：be2＝ab2+ae2-2(ae×ab)cosδ4①
由正玄定理得：
Figure FDA0003066590880000051
由①②可得角δ6、δ7和线be
由三角形Δadb，三角形内角和→δ9＝180°-δ5-δ11→δ8＝180°-δ7-δ9
由三角形Δbce，三角函数ec＝bc sinδ8→得ec
经解算处理模块(4)解算，在显示模块(5)上显示两点的高度差。
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