CN113984089A - 一种基于球面三角形几何理论的激光扫平仪校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于球面三角形几何理论的激光扫平仪校准装置及方法，采用平行光管无穷远模拟技术，解决野外方法占地大，测量受外界因素影响大的困难，以球面三角形几何原理数据处理，消除了标准垂直面的铅垂系统误差，其解决的技术方案是，包括基座，其特征在于，所述基座上固定连接有立柱，位于立柱侧面的基座上设有工作台，工作台包括升降台底座，升降台底座上连接有旋转工作台，旋转工作台上连接有平移工作台，平移工作台上端连接有倾斜工作台，立柱上与螺杆轴线相对应位置处分别固定连接有朝向工作台方向伸出且与螺杆轴线同一平面的光管，光管的轴线焦点与螺纹轴线重合且相邻两光管之间夹角为三十度布置。

Description

一种基于球面三角形几何理论的激光扫平仪校准装置及方法

技术领域

本发明涉及一种校准装置，特别是一种基于球面三角形几何理论的激光扫平仪校准装置及方法。

背景技术

激光扫平仪校准装置一种用于校准激光扫平仪水平和垂直两个立体平面的扫平误差的计量标准。

目前国际标准ISO17123-6 ：2012（E）Optics and optical instruments —Field procedures for testing geodetic and surveying instruments —Part 6:Rotating lasers提出了两杆法的双标尺野外简易校准装置，该装置要求场地数十米，占地大，激光束受气流和光照干扰强，测量精度低，且仅能满足水平面扫平误差测量，功能少；

（2）武汉大学的实用新型发明ZL01212589.X.2001公开了一种工程用激光仪器误差自动检测仪，使用单管结构，解决了室外校准方法到室内模拟环境的实现，但不能满足垂直面扫平误差测量，功能少，且技术指标分散校准，无法进行综合评定；

（3）西安理工大学设计的数显式激光扫平仪检测校正系统精度仅为0.1mm/m，精度低，不能满足目前激光扫平仪水平扫平误差≤10″的校准要求；

（4）JB/T 11666-2013 激光扫平仪，主要采用两装置分别进行水平和垂直扫平误差校准，即水平两管布置结构用于水平面扫平误差校准，校准时需要从两个光管采集图像、读数，上下对称±30°两管结构用于垂直面扫平误差校准，没有设置旋转机构，校准时不能进行正反读数，引入标准垂直面的系统误差，精度低。该标准推荐的装置结构分散，只能分散校准技术指标，不利于综合测量。

同时现有技术存在占地大，测量受外界因素影响大的困难，现有技术中激光扫平仪校准时，不能对激光扫平仪处于不同安置状态下的扫平误差校准。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供了一种基于球面三角形几何理论的激光扫平仪校准装置及方法，采用平行光管无穷远模拟技术，解决野外方法占地大，测量受外界因素影响大的困难，减小了占地面积要求，较少环境影响，提高了校准结果的重复性，解决了现有技术中激光扫平仪校准时，不能对激光扫平仪处于不同安置状态下的扫平误差校准，而且本装置增设了旋转和移动平台，采用正反180°双位置读数，以球面三角形几何原理数据处理，消除了标准垂直面的铅垂系统误差，降低了对装置稳定性要求，提高了装置的校准精度，弥补了现有技术精度低的缺陷。

其解决的技术方案是，包括基座，其特征在于，所述基座上固定连接有立柱，位于立柱侧面的基座上设有工作台，工作台包括升降台底座，升降台底座上同轴转动连接有螺杆，螺杆上端固定连接有旋转工作台，旋转工作台上端横向滑动连接有平移工作台，平移工作台上端转动连接有倾斜工作台，立柱上与螺杆轴线相对应位置处分别固定连接有朝向工作台方向伸出且与螺杆轴线同一平面的光管，所述光管为三个且一个为水平布置，另外两个分别位于水平布置的光管的上方与下方，各个光管的轴线焦点与螺纹轴线重合且相邻两光管之间夹角为三十度布置。

作为优选，所述光管均通过支撑板与立柱之间进行连接，各个光管与支撑板之间以螺栓连接。每个光管前端均设有滤光片组，所述滤光片组起到减光作用，各个光管的焦平面上安置有二维刻度分划板，分划板用固定连接的直角棱镜和光源照明，直角棱镜后端设有CCD图像传感器。

作为优选，所述旋转工作台转动角度为三百六十度，平移工作台平移距离大于等于五十毫米，倾斜工作台调节角度在正负二点五度之间的范围内。

作为优选，所述旋转工作台通过蜗轮蜗杆配合进行驱动。

作为优选，所述平移工作台通过微动旋钮来进行调节，微动旋钮通过丝杠传动带动平移工作台的滑台移动。

作为优选，所述倾斜工作台通过工作台调整旋钮与丝杆传动来驱动倾斜工作台进行倾斜角度的调节，在调节倾斜角度的朝向时同步控制旋转工作台来协同运动，从而实现各个方向的倾斜角度调节。

作为优选，还包括固定连接在基座上用于实时显示数据的显示器和调节电源的适配器。

本发明有益效果是：1. 采用平行光管无穷远模拟技术，解决野外方法占地大，测量受外界因素影响大的困难，减小了占地面积要求，较少环境影响，提高了校准结果的重复性；

2. 解决了现有技术中激光扫平仪校准时，不能对激光扫平仪处于不同安置状态下的扫平误差校准，或不能确保在一套装置上对激光扫平仪的水平面扫平误差和垂直面扫平误差均可校准；

3. 本装置增设了旋转和移动平台，采用正反180°双位置读数，以球面三角形几何原理数据处理，消除了标准垂直面的铅垂系统误差，降低了对装置稳定性要求，提高了装置的校准精度，弥补了现有技术精度低的缺陷；

4. 本装置设计了旋转、平移、倾斜三种功能平台于一体，兼具六自由度调整，改善了现有技术操作不方便的不足；

5. 结构更加紧凑，功能更加完整，精度更加有保证，操作更加方便；

6. 采用球面三角形理论，构建立体型空间布局结构。即将三个平行光管在一个垂直面上，并在垂直面±30°范围内对称分布。集标准水平面和标准垂直面为一体。结构紧凑，不用人员转身操作，方便室内校准、检测；

7. 功能齐全，该装置可以对激光扫平仪在水平和倾斜任意状态下的水平扫平误差和垂直扫平误差进行校准，满足对激光扫平仪的所有计量特性校准和检测；

8. 可通过正反180°观测读数，便于数据处理以消除垂直标准平面的系统误差对垂直扫平误差校准结果的影响，提高校准精度达到5.6″。

附图说明

图1为本发明整体示意图。

附图标记

1、调整旋钮；2、微动旋钮；3、显示器；4、滤光片组；5、立柱；6、CCD图像传感器；7、照明光源；8、平行光管；9、支撑；10、图像数据线；11、光源电源线；13、电源插座；14、基座；15、脚底螺旋；16、装置底座；17、升降台底座；18、升降旋转螺母；19、螺杆；20、旋转台旋钮；21、旋转工作台；22、平移工作台；23、倾斜工作台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明。

该实施例在使用时，平台上一端安置有升降工作台，升降工作台上固定360°旋转工作台，旋转台上架设有行程不小于50mm的平移工作台，平移工作台安置倾斜范围为±2.5°的微倾工作台；平台的另一端安置有立柱，在立柱上按水平0°、倾斜±30°对称分布的三个位置安装三个支撑，在三个支撑上架设三个长焦距平行光管，每个平行光管前端安装有起减光作用的滤光片组，光管焦平面上设有二维刻度分划板，分划板后固定有照明光源和直角棱镜，直角棱镜将光源发出的光束照亮分划板，在直角棱镜后设置有CCD图像接收器，以接收聚焦在分划板上的扫平仪激光束图像信号，激光束和分划板图像信号同时成像在显示器上方便瞄准读数，水平安置的平行光管可使用高精度水准仪或水平陪检器校准，使装置的水平准线偏差≤3″，满足激光扫平仪水平扫平误差≤10″的校准要求；同时旋转工作台与按±30°对称分布的两个平行光管组合，可以读取正反180°位置的垂直扫平读数，通过数据处理，消除标准垂直平面的系统误差，提高激光扫平仪垂直扫平误差的校准精度达到5.6″。

基座14通过脚底螺旋15将装置安放在室内平整地面上，调整脚底螺旋15可以使装置大致水平。

基座14上设置有装置底座16、工作台和立柱5。使装置的所有部件集中于一体，方便安装和调整。

装置底座16中心有空孔，底座上表面用全圆均匀分布的六个螺栓将升降台底座17底面连接。

升降台底座17中心有空孔，升降旋转螺母18安装在升降台底座17空孔中，升降旋转螺母18内有螺套与螺杆19拟合连接，螺杆19上表面用螺栓与旋转工作台21底面连接，并穿过装置底座16和升降台底座17，确保螺杆升降空间。旋转升降螺母，带动螺杆上升或下降，调整激光扫平仪的激光束出射口位置与三个平行光管8光轴交汇点在Z轴方向等高。

旋转工作台21底面用螺栓与螺杆19上表面连接，旋转工作台为蜗轮蜗杆驱动方式，可手轮20旋转或电机驱动，实现旋转工作台21面360°旋转，使校准垂直面扫平误差时，方便安置在装置上的激光扫平仪转动180°，完成正反180°双位置读数。

四个螺栓穿过平移工作台22的全圆均匀分布的四个螺孔，将平移工作台22底面与旋转工作台21上表面的四个螺孔连接，转动平移工作台微动旋钮2，与微动旋钮2连接的丝杆带动丝杠上的滑座平移，可以在X轴方向调整激光扫平仪出射口位置与三个平行光管8光轴交汇点对准。

倾斜工作台23上表面带有固定螺栓，用于固定、安置激光扫平仪，在倾斜工作台23底面中心带有螺栓，用螺栓将倾斜工作台23安置在平移工作台22的滑座上，转动倾斜工作台调整旋钮1，带动丝杆上滑座移动，使倾斜工作台23面绕转轴转动产生倾斜角度，带动安置在倾斜工作台23上的激光扫平仪可处于水平、前倾、后倾、左倾或右倾五个状态，实现对激光扫平仪在不同倾斜状态下的扫平误差校准。

安置在基座14上的工作台的侧面安装有电源插座13，电源插座13有适配器，和光源电源线11 连接，保证对平行光管光源供电。工作台12面安放显示器3，用于显示激光束和平行光管分划板中心的位置关系，便于读取读数。

立柱5垂直固定在基座14上，立柱5由两个槽钢型材组成，立柱5上用螺钉在三个对称位置上固定三个支撑9，三个支撑9分别与三个平行光管7的连接座以螺栓固定，均匀布置，一个平行光管7水平安置，其它两个平行光管7按±30°对称安置，使三个平行光管7的光轴在同一铅垂面上，交汇于一点，并相邻光轴成30°夹角。

三个平行光管7均由滤光片组、物镜、带刻度的十字坐标分划板、分光镜、照明光源和CCD图像传感器组成，激光扫平仪的激光束透过滤光片组衰减光强，再由物镜将激光束聚焦在带刻度的十字分划板上，照明光源作为背景光，通过直角棱镜照明带刻度的十字分划板，聚焦的扫平激光束像和十字坐标分划板像通过CCD图像传感器成像在显示器屏幕上，便于读数。

水平位置的平行光管7光轴经过高精度水准仪或水平陪检器标定可以获得水准线偏差不大于3″的标准水平坐标线， 当激光束扫出水平面时，扫平激光束像和十字坐标分划板像投影在显示器屏幕上，通过人眼或计数方式从十字坐标分划板上读取扫平激光束水平中心线相对标准水平面的位置偏差。

对称±30°位置的两个平行光管7光轴经过高精度经纬仪或全站仪标定可以获得铅垂偏差不大于3″的标准垂直面坐标线， 当激光束扫出垂直面时，扫平激光束像和十字坐标分划板像投影在显示器屏幕上，通过人眼或计数方式从十字坐标分划板上读取扫平激光束垂直中心线相对标准垂直面的位置偏差。

Claims (7)

1.一种基于球面三角形几何理论的激光扫平仪校准装置及方法，包括基座（14），其特征在于，所述基座（14）上固定连接有立柱（5），位于立柱（5）侧面的基座（14）上设有工作台，工作台包括升降台底座（17），升降台底座（17）上同轴转动连接有螺杆（19），螺杆（19）上端固定连接有旋转工作台（21），旋转工作台（21）上端横向滑动连接有平移工作台（22），平移工作台（22）上端转动连接有倾斜工作台（23），立柱（5）上与螺杆（19）轴线相对应位置处分别固定连接有朝向工作台方向伸出且与螺杆（19）轴线同一平面的光管，所述光管为三个且一个为水平布置，另外两个分别位于水平布置的光管的上方与下方，各个光管的轴线焦点与螺纹轴线重合且相邻两光管之间夹角为三十度布置。

2.根据权利要求1所述一种基于球面三角形几何理论的激光扫平仪校准装置及方法，其特征在于，所述光管均通过支撑（9）板与立柱（5）之间进行连接，每个光管前端均设有滤光片组（4），所述滤光片组（4）起到减光作用，各个光管与支撑（9）板之间均通过可调节的二位刻度分划板进行连接，分划板上固定连接有照明和直角棱镜，直角棱镜后端设有CCD图像传感器（6）。

3.根据权利要求1所述一种基于球面三角形几何理论的激光扫平仪校准装置及方法，其特征在于，所述旋转工作台（21）转动角度为三百六十度，平移工作台（22）平移距离大于等于五十毫米，倾斜工作台（23）调节角度在正负二点五度之间的范围内。

4.根据权利要求1所述一种基于球面三角形几何理论的激光扫平仪校准装置及方法，其特征在于，所述旋转工作台（21）通过蜗轮蜗杆配合进行驱动。

5.根据权利要求1所述一种基于球面三角形几何理论的激光扫平仪校准装置及方法，其特征在于，所述平移工作台（22）通过微动旋钮（2）来进行调节，微动旋钮（2）通过丝杠传动带动平移工作台（22）进行调节。

6.根据权利要求1所述一种基于球面三角形几何理论的激光扫平仪校准装置及方法，其特征在于，所述倾斜工作台（23）通过工作台调整旋钮（1）与丝杆传动来驱动倾斜工作台（23）进行倾斜角度的调节，在调节倾斜角度的朝向时同步控制旋转工作台（21）来协同运动，从而实现各个方向的倾斜角度调节。

7.根据权利要求1所述一种基于球面三角形几何理论的激光扫平仪校准装置及方法，其特征在于，还包括固定连接在基座（14）上用于显示调节的实时数据的电源、适配器和显示器（3）。

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