CN113739699A - 一种多角度的传感器阵列测量装置、系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多角度的传感器阵列测量装置、系统及工作方法，多角度的传感器阵列测量装置的底座上设置有若多干关于底座中心呈旋转对称分布的安装座，每个安装座上具有用于安装光电池接收器的传感器连接座，底座上在相邻两个安装座之间安装有用于使同一个激光束不能同时被这两个安装座上安装的光电池接收器接收的挡光吸光板，靶球设置在底座的下端并位于底座中心，所有光电池接收器的轴线相交于靶球和被测点相贴合的点。本发明克服了传统的单个光电池接收器由于视角受限而接收到激光的范围较窄的问题，以及解决了多个光电传感器组合在空间无法同时测量同一个定点的坐标的问题。

Description

一种多角度的传感器阵列测量装置、系统及工作方法

技术领域

本发明涉及旋转激光头进行大尺寸空间测量，尤其适用于采用单个传感器无法多角度接收光信号的场合，具体涉及一种多角度的传感器阵列测量装置、系统及工作方法。

背景技术

制造业在国民经济中占据了重要一环，随着国民经济的发展，制造业的占比越来越重。先进制造对精密测量提出了更高的要求，大尺寸测量技术同时也得到了广泛的应用。

采用激光跟踪仪进行坐标测量的方法是较为常用的大尺寸测量方法，但是对于动态测量、在线测量，激光跟踪仪测量过程中容易出现丢光现象，测量过程中需要多次找正，效率比较低，测量比较繁琐，也容易引入误差。

近些年，利用经纬仪定位的思想，采用旋转激光发射头发射线激光，然后利用三角法空间交汇确定点的坐标，配合计算机及相应的软硬件进行坐标解算的方法得到了最广泛的应用。但是单个光电池接收器必须至少接收到3台发射机的激光信号，而传统的单个光电池接收器由于视角受限而接收到激光的范围较窄，导致多个光电池接收器组合在空间无法同时测量同一个定点的坐标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多角度的传感器阵列测量装置、系统及工作方法，本发明能够使单个传感器无法同时接收到至少3台发射机的信号，多个光电池接收器组合在空间能够同时测量同一个定点的坐标。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种多角度的传感器阵列测量装置，包括挡光吸光板、底座、安装座、传感器连接座和靶球，底座上设置有若多干关于底座中心呈旋转对称分布的安装座，每个安装座上具有用于安装光电池接收器的传感器连接座，底座上在相邻两个安装座之间安装有用于使同一个激光束不能同时被这两个安装座上安装的光电池接收器接收的挡光吸光板，靶球设置在底座的下端并位于底座中心，所有光电池接收器的轴线相交于靶球和被测点相贴合的点。

优选的，当光电池接收器安装于安装座后，所有电池接收器位于同一球面。

优选的，光电池接收器的轴线与底座所在平面的夹角为30°±0.2°。

优选的，相邻两个安装座之间的挡光吸光板位于这两个安装座之间的角平分面处。

优选的，挡光吸光板的形状为扇形，对应的圆心角为90°，挡光吸光板的一条边安装在底座上，所有挡光吸光板的另一条边连接，所有挡光吸光板的连接线穿过底座的中心并与底座垂直。

优选的，包括板体、吸光箔和吸光膜，吸光箔设置于板体表面，吸光膜设置于吸光箔表面，挡光吸光板在靠近底座中心的位置开设有供光电池接收器引线穿过的过线孔，传感器连接座上设有用于安装光电池接收器的安装孔，所述安装孔形状为圆台形。

优选的，所述安装座设置有3或4个。

本发明还提供了一种多角度的传感器阵列测量系统，包括光电池接收器、选通电路、放大电路、处理器和本发明如上所述的多角度的传感器阵列测量装置；

每个安装座上安装有光电池接收器，每个光电池接收器均依次连接有选通电路和放大电路，放大电路与处理器连接，处理器能够对各路放大电路输出的信号进行模/数转换，根据各路信号判断待测点的位置以及坐标。

优选的，所述选通电路包括电解电容C16、电容C28、电阻R12、电压基准芯片、电容C25、电阻R16和电容C15；

电解电容C16的正极与光电池接收器的输出端、电容C28的正极、电阻R12的一端以及放大电路的输入端连接，电解电容C16的负极接地；

电容C28的负极接地；

电阻R12的另一端与电压基准芯片的正极、电阻R16的一端以及电容C25的正极连接，电压基准芯片的负极和电容C25的负极接地；

电阻R16的另一端与电容C15的正极以及电源正极连接，电容C15的负极接地。

本发明如上所述多角度的传感器阵列测量系统的工作方法，包括如下过程：

将靶球和被测点相贴合；

激光发射头发出激光平面，光电池接收器接收到激光并产生电信号；

对光电池接收器产生的电信号进行选通电路导通、放大，得到预设放大电信号，其中，每个光电池接收器对应的预设放大电信号不同；

处理器对放大后的电信号进行模/数转换，根据模/数转换结果确定接收到激光的光电池接收器，根据所述判断结果得到待测点的位置，对待测点的位置进行坐标变换，得到待测点的坐标。

本发明具有如下有益效果：

本发明多角度的传感器阵列测量装置通过在底座上设置挡光吸光板，挡光吸光板设置在相邻两个安装座之间并能够使同一个激光束不能同时被这两个安装座上安装的光电池接收器接收，即一个激光束仅被一个光电池接收器结束，因此克服了传统的单个光电池接收器由于视角(一般为120°)受限而接收到激光的范围较窄的问题，能够使单个传感器同时接收到至少3台发射机的信号，有利于测量待测点的位置。同时所有光电池接收器的轴线相交于靶球和被测点相贴合的点，这种结构使得光电池接收器的多光束延长线空间交于一点，解决了多个光电池组合在空间无法同时测量同一个定点的坐标的问题。综上，本发明能够使单个传感器无法同时接收到至少3台发射机的信号，多个光电池接收器组合在空间能够同时测量同一个定点的坐标。

本发明多角度的传感器阵列测量系统中，通过设置选通电路，来对位于不同方向的传感器接收到的信号进行区分，然后根据每个光电池接收器对应的每一路电压值的不同得到传感器的位置信息，避免出现多个光电传感器同时接收信号，而无法判断具体是由哪个传感器采集到信号的问题。

附图说明

图1为本发明多角度的传感器阵列测量装置的俯视图；

图2为本发明多角度的传感器阵列测量装置的主视图；

图3为图1中C-C截面的剖面图；

图4为图3中的A部放大图；

图5为本发明中的选通电路和放大电路图；

图6为本发明实施例中采用的单片机最小系统；

图7为本发明实施例中采用的蜂鸣器电路；

图8(a)为本发明实施例中采用的电源电路，图8(b)为本发明实施例中采用的指示灯电路；

图9为本发明实施例中采用的数码管显示电路。

图中，11挡光吸光板，22底座，33连接件，44连接件底座，55传感器连接座，66过线孔，77靶球。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。

参照图1-图4，本发明多角度的传感器阵列测量装置，包括挡光吸光板11、底座22、安装座、传感器连接座55和靶球77，底座22上设置有若多干关于底座中心呈旋转对称分布的安装座，每个安装座上具有用于安装光电池接收器的传感器连接座55，底座22上在相邻两个安装座之间安装有用于使同一个激光束不能同时被这两个安装座上安装的光电池接收器接收的挡光吸光板11，靶球77设置在底座22的下端并位于底座中心，所有光电池接收器的轴线相交于靶球77和被测点相贴合的点。

作为本发明优选的实施方案，当光电池接收器安装于安装座后，所有电池接收器位于同一球面。

作为本发明优选的实施方案，参照图3，光电池接收器的轴线与底座22所在平面的夹角为30°±0.2°。

作为本发明优选的实施方案，参照图1，相邻两个安装座之间的挡光吸光板11位于这两个安装座之间的角平分面处。

作为本发明优选的实施方案，参照图2-图4，挡光吸光板11的形状为扇形，对应的圆心角为90°，挡光吸光板11的一条边安装在底座22上，所有挡光吸光板11的另一条边连接，所有挡光吸光板11的连接线穿过底座22的中心并与底座22垂直。

作为本发明优选的实施方案，挡光吸光板11包括板体、吸光箔和吸光膜，吸光箔设置于板体表面，吸光膜设置于吸光箔表面，参照图3和图4，挡光吸光板11在靠近底座22中心的位置开设有供光电池接收器引线穿过的过线孔66，传感器连接座55上设有用于安装光电池接收器的安装孔，所述安装孔形状为圆台形。

作为本发明优选的实施方案，参照图1，所述安装座设置有3或4个，对应的，挡光吸光板11也设置3个。

本发明还提供了一种多角度的传感器阵列测量系统，包括光电池接收器、选通电路、放大电路、处理器和本发明如上所述的多角度的传感器阵列测量装置；

每个安装座上安装有光电池接收器，每个光电池接收器均依次连接有选通电路和放大电路，放大电路与处理器连接，处理器能够对各路放大电路输出的信号进行模/数转换，根据各路信号判断待测点的位置以及坐标。

作为本发明优选的实施方案，参照图5，选通电路包括电解电容C16和电压基准TL431IPK，放大电路采用运算放大器U5B LM358。具体连接关系：INPUT1输入，经过电解电容C16，消除高频及脉冲干扰信号，然后与选通模块连接，选通模块内部电容C15的正极与电源正极(+5V)连接，电容C15的负极接地，电阻R16的一端与电源正极连接，电阻R16的另一端与电容C25正极、电压基准TL431IPK、电阻R12的一端连接，C25的负极与电压基准TL431IPK的一端接地，电阻R12的另一端一路接运算放大器，另一路接电容C28和地。

选通电路工作过程为，电信号接入，经过电解电容，消除高频及脉冲干扰信号，然后与选通模块连接，选通模块内部接+5V电压，选通模块内部输出电压相比没有接收到信号时发生变化，选通电路导通，然后接运算放大器，3路输出不同的电压值，判断是哪一路接受到的信号。

本发明如上所述多角度的传感器阵列测量系统的工作方法，包括如下过程：

将靶球77和被测点相贴合；

激光发射头发出激光平面，光电池接收器接收到激光并产生电信号；

对光电池接收器产生的电信号进行选通电路导通、放大，得到预设放大电信号，其中，每个光电池接收器对应的预设放大电信号不同；

处理器对放大后的电信号进行模/数转换，根据模/数转换结果(由于每个光电池接收器产生的电信号放大后的结果不同，那么根据放大结果，就能确定该电信号对应的具体是哪个光电池接收器产生的电信号)确定接收到激光的光电池接收器，根据所述判断结果得到待测点的位置，对待测点的位置进行坐标变换，得到待测点的坐标。

实施例

如图1所示，本实施例多角度的传感器阵列测量系统包括挡光吸光板11、底座22、连接件33、连接件底座44、传感器连接座55和靶球77。

三个挡光吸光板11互成120°分布，三个挡光吸光板11的表层具有吸光膜与吸光箔，吸光膜放置在吸光箔的上面，三个挡光吸光板11通过焊接的方式固定在底座22上面。连接件底座44通过螺钉的方式与底座22上面的凹槽相连。连接件33上端通过螺钉连接的方式与传感器连接座55相连。靶球77通过焊接的方式固定在底座22的下端，靶球77能够和被测点相贴合。本实施例中，光电池接收器安装在传感器连接座55上后，三个光电池接收器互成120°分布，中间设置挡光吸光板，挡光吸光板设置吸光箔与吸光膜，使得同一个激光束不能同时被两个光电池接收器接收，三个光电池接收器理论上在同一个球面，与水平面呈30°的角度，延长光线相交于一点(球心)，靶球与待测点接触的接触点位于所述球心处，然后利用硬件电路，通过电压比较，当接收到光电信号选通电路导通。通过不同的放大电路，输出不同的电压值，进而判断是哪一个光电池接收器接收到了光信号，根据球坐标的计算公式，即可以把测得点的坐标转换为待测点(球心)的坐标，完成坐标测量的任务。

本实施例多角度的传感器阵列测量系统的工作过程为：

首先将光电传感器通过锥面与传感器连接座55相连，激光发射头发出激光平面，光电传感器接收到光电信号，光电效应产生电信号，经过后续的电路处理和上位机计算得到待测点的坐标值。

电路有3路输入，某一路收到信号后，光电接收器将光信号转换为电信号，电信号通过与基准电压相比较，输出电压相比没有接收到信号时发生变化，选通电路导通，后面接不同的由运算放大器构成的放大电路(如图5所示)，3路输出不同的电压，电压不同输入单片机引脚后，单片机采集不同的电压值，经过ADC模/数转换器输出不同的数字(如图6所示)，后面电路与嵌入式处理器相连，嵌入式处理器内部WIFI模块通过路由器将数据发送到上位机，上位机判断不同的数字即可知道光电接收器中心(球面)所在的方位和坐标，然后根据坐标转换公式转换到球心位置即可算得待测点的坐标。

图6所示，STC89C51单片机最小系统含有复位电路、时钟电路、电源系统、蜂鸣器电路；最小系统确保了单片机正常运行的最低配置。复位电路当程序运行不正常或停止运行时，就需要进行复位。单片机的复位引脚RST(第9管脚)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

单片机上的时钟管脚：XTAL1(19脚)为芯片内部振荡电路输入端；XTAL2(18脚)为芯片内部振荡电路输出端。电源系统：VCC,和GND引脚，供电电压5V。

如图7所示，蜂鸣器电路，单片机引脚通过输出高低电平控制三极管的开断状态，进而控制蜂鸣器工作，产生报警。

图8所示，供电电路，最高输入电压为35V，输出电压为固定5V电压。其自身散热片与其②脚(GND端)是相通的。稳压使用时，只要输入电压大于7V，即可输出稳定的5V电压。电源供电指示灯显示电源的供电情况，供电后指示灯亮。

如图9所示，数码管显示电路。可以显示需要指示的数字1,2,3。根据接收到的电压不同，显示不同的数字，判断是哪个接收器收到了信号。

本实施例中，通过不同的放大电路，输出不同的电压值，单片机采集不同的电压值，经过ADC模/数转换器输出不同的数字，程序判断不同的数字即可判断知道待测点的位置，然后根据坐标转换公式即可算得待测点的坐标，实现待测点位置多角度的测量。

综上可以看出，本发明的技术方案克服了传统的单个光电池接收器由于视角(一般为120°)受限而接收到激光的范围较窄的问题。结构设计上采用多光束延长线空间交于一点的方法，解决了多个光电池组合在空间无法同时测量同一个定点的坐标的问题。硬件电路上设计了选通电路，分三路，根据每一路电压值的不同，得到传感器的位置信息，避免出现多个光电传感器同时接收信号，而无法判断具体是由哪个传感器采集到信号的问题。

Claims (10)

1.一种多角度的传感器阵列测量装置，其特征在于，包括挡光吸光板(11)、底座(22)、安装座、传感器连接座(55)和靶球(77)，底座(22)上设置有若多干关于底座中心呈旋转对称分布的安装座，每个安装座上具有用于安装光电池接收器的传感器连接座(55)，底座(22)上在相邻两个安装座之间安装有用于使同一个激光束不能同时被这两个安装座上安装的光电池接收器接收的挡光吸光板(11)，靶球(77)设置在底座(22)的下端并位于底座中心，所有光电池接收器的轴线相交于靶球(77)和被测点相贴合的点。

2.根据权利要求1所述的一种多角度的传感器阵列测量装置，其特征在于，当光电池接收器安装于安装座后，所有电池接收器位于同一球面。

3.根据权利要求1或2所述的一种多角度的传感器阵列测量装置，其特征在于，光电池接收器的轴线与底座(22)所在平面的夹角为30°±0.2°。

4.根据权利要求1所述的一种多角度的传感器阵列测量装置，其特征在于，相邻两个安装座之间的挡光吸光板(11)位于这两个安装座之间的角平分面处。

5.根据权利要求1或4所述的一种多角度的传感器阵列测量装置，其特征在于，挡光吸光板(11)的形状为扇形，对应的圆心角为90°，挡光吸光板(11)的一条边安装在底座(22)上，所有挡光吸光板(11)的另一条边连接，所有挡光吸光板(11)的连接线穿过底座(22)的中心并与底座(22)垂直。

6.根据权利要求1所述的一种多角度的传感器阵列测量装置，其特征在于，挡光吸光板(11)包括板体、吸光箔和吸光膜，吸光箔设置于板体表面，吸光膜设置于吸光箔表面，挡光吸光板(11)在靠近底座(22)中心的位置开设有供光电池接收器引线穿过的过线孔(66)，传感器连接座(55)上设有用于安装光电池接收器的安装孔，所述安装孔形状为圆台形。

7.根据权利要求1所述的一种多角度的传感器阵列测量装置，其特征在于，所述安装座设置有3或4个。

8.一种多角度的传感器阵列测量系统，其特征在于，包括光电池接收器、选通电路、放大电路、处理器和权利要求1-7任意一项所述的多角度的传感器阵列测量装置；

每个安装座上安装有光电池接收器，每个光电池接收器均依次连接有选通电路和放大电路，放大电路与处理器连接，处理器能够对各路放大电路输出的信号进行模/数转换，根据各路信号判断待测点的位置以及坐标。

9.根据权利要求8所述的一种多角度的传感器阵列测量系统，其特征在于，所述选通电路包括电解电容C16、电容C28、电阻R12、电压基准芯片、电容C25、电阻R16和电容C15；

电解电容C16的正极与光电池接收器的输出端、电容C28的正极、电阻R12的一端以及放大电路的输入端连接，电解电容C16的负极接地；

电容C28的负极接地；

电阻R12的另一端与电压基准芯片的正极、电阻R16的一端以及电容C25的正极连接，电压基准芯片的负极和电容C25的负极接地；

电阻R16的另一端与电容C15的正极以及电源正极连接，电容C15的负极接地。

10.权利要求8或9所述一种多角度的传感器阵列测量系统的工作方法，其特征在于，包括如下过程：

将靶球(77)和被测点相贴合；

激光发射头发出激光平面，光电池接收器接收到激光并产生电信号；

对光电池接收器产生的电信号进行选通电路导通、放大，得到预设放大电信号，其中，每个光电池接收器对应的预设放大电信号不同；

处理器对放大后的电信号进行模/数转换，根据模/数转换结果确定接收到激光的光电池接收器，根据所述判断结果得到待测点的位置，对待测点的位置进行坐标变换，得到待测点的坐标。

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