CN115164839B - 一种基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪，平行且上下间隔设置上平板和下平板；在上平板顶面安装激光发射器和第一直角棱镜,在上平板底面设置液体透镜；在下平板顶面固定安装PSD位置探测器和第二直角棱镜；水平仪以下平板放置在被测平面上；由激光发射器出射的激光光束经第一直角棱镜转折投向液体透镜；液体透镜出射光经第二直角棱镜转折出射形成检测光，由PSD位置探测器通过对检测光进行位置检测获得置于被测平面上的水平仪的倾斜角度。本发明保障大量程并兼顾分辨率，能够在精密小角度测量中得到应用，包括在三坐标测量机、数控机床等精密小角度测量中进行应用，以及应用在平面度、平行度等其它精密测量领域。

Description

一种基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪

技术领域

本发明涉及激光精密测量技术领域，更具体地说是一种用于二维倾斜角测量的大量程双轴光电水平仪。

背景技术

在精密测量技术领域中，角度误差是造成阿贝误差的主要因素，制约着测量精度进一步提高，研究角度精密测量具有重要意义。水平仪作为一种小角度测量仪器在数控机床、三坐标角误差测量、平面度测量、平行度测量等领域有着广泛应用。随着精密测量的不断发展，对水平仪测量精度、测量范围的要求也越来越高，尤其要求水平仪具有高精度、大量程等测量特点，在结构方面，如何实现紧凑化、轻量化，同样是关注的焦点之一。

现有的气泡水平仪、光学象限仪等传统水平仪存在着读数困难、测量分辨力和测量精度差等问题，一些基于自准直原理的光电水平仪大多采用四象限探测器作为传感器，由于四象限探测器象限分割及存在死区的情况，大大限制了水平仪的量程范围，大多数只有100″，线性度也难以进一步提升，因此制约测量精度，单纯用PSD位置探测器替换四象限探测器的方式会使整体光路加长，仪器体积难以控制。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的问题，提供一种结构简单、体积小、成本低的基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪，保障大量程并兼顾分辨率，使其在精密小角度测量中得到良好的应用。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪的特点是：平行且上下间隔设置上平板和下平板；在所述上平板的顶面固定安装激光发射器和第一直角棱镜,在所述上平板的底面利用容器固定座设置液体透镜；在所述下平板的顶面固定安装PSD位置探测器和第二直角棱镜；所述水平仪是以下平板放置在被测平面上；设置所述激光发射器与第一直角棱镜在上平板上的中心高度相同；设置所述PSD位置探测器和第二直角棱镜在下平板上的中心高度相同；使得由所述激光发射器出射的激光光束投向第一直角棱镜，并在所述第一直角棱镜中转折90°投向液体透镜，形成液体透镜入射光；液体透镜出射光投向第二直角棱镜，并在所述第二直角棱镜中转折90°出射形成检测光，所述检测光投向PSD位置探测器，由所述PSD位置探测器通过对所述检测光进行位置检测获得置于被测平面上的水平仪的倾斜角度。

本发明基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪的特点也在于：光束从液体透镜出射至汇聚到PSD位置探测器的光敏面的行程为液体透镜的一倍焦距。

本发明基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪的特点也在于：所述液体透镜是指：在设定曲率的透明容器中盛有具有设定厚度的透明液体形成的液体透镜；以透明液体作为角度敏感器，感测倾斜角度的变化；透明液体的上表面为水平面，液体透镜入射光在透明液体中发生偏折后形成液体透镜出射光。

本发明基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪的特点也在于：依据所述透明容器的曲率、透明液体的折射率计算获得液体透镜的焦距，设置PSD位置探测器的光敏面与液体透镜的焦平面重合。

本发明基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪的特点也在于：

由式(1)计算获得液体透镜的有效焦距f：

焦距与容器表面曲率半径的关系为

式(1)中：

n为透明液体的折射率，R₁液体透镜上表面曲率半径，R₂为液体透镜下表面曲率半径，所述液体透镜为平凸透镜，液体透镜的上表面为平面，平面的曲率半径为无限大，则1/R₁取为0。

本发明基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪的特点也在于：所述液体透镜中的透明液体为二甲基硅油，透明容器是以亚克力材料制作。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明利用液体作为角度感测器，将液体盛放在具有设定曲率的透明容器中，形成液体透镜，由PSD位置探测器感测光斑位置，由此获得被测面的水平倾角，其方法简单可靠。

2、本发明以PSD位置探测器替代自准直测角中常规采用的四象限探测器，避免了四象限探测器象限分割和死区对测量范围和测量精度的限制，兼顾大量程和高精度的优异性能；实验数据显示，其量程能够达到±7200″，分辨力可以达到0.5″。

3、本发明将液体作为角度感测器和自准直测角部分里的聚焦透镜进行整合，形成液体透镜，用液体透镜和PSD位置探测器相互配合形成自准直模组，在兼顾分辨率和大量程的同时保证仪器的便携性和紧凑性。

4、本发明通过替换具有不同折射率的透明液体、改变透明容器的曲率半径，和/或改变透明容器的材料，可以实现水平仪不同的测量量程和分辨力。

5、本发明能够快速实时地检测倾斜角的变化，量程大、分辨力高，结构紧凑、体积小，重量轻、便携，且成本低，十分有利于推广应用。

附图说明

图1为本发明光路原理图；

图2为本发明检测状态下光路原理图；

图3为本发明结构示意图；

图4a和图4b为本发明测量原理示意图。

图中标号：1同轴夹持座，2激光发射器，3a第一直角棱镜，3b第二直角棱镜，4上平板，5容器固定座，6立柱，7下平板，8透明容器，9为PSD位置探测器，10透明液体，11侧板。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本实施例中基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪的结构形式是：

平行且上下间隔设置上平板4和下平板7；在上平板4的顶面设置第一直角棱镜3a，并利用同轴夹持座1固定安装激光发射器，在上平板4的底面利用容器固定座5设置液体透镜；在下平板7的顶面固定安装PSD位置探测器9和第二直角棱镜3b；水平仪是以下平板7放置在被测平面上。

设置激光发射器2与第一直角棱镜3a在上平板4上的中心高度相同；设置PSD位置探测器9和第二直角棱镜3b在下平板7上的中心高度相同；使得由激光发射器2出射的激光光束投向第一直角棱镜3a，并在第一直角棱镜3a中转折90°投向液体透镜，形成液体透镜入射光；液体透镜出射光投向第二直角棱镜3b，并在第二直角棱镜3b中转折90°出射形成检测光，检测光投向PSD位置探测器9，由PSD位置探测器9通过对检测光进行位置检测获得置于被测平面上的水平仪的倾斜角度。

具体实施中，设置光束从液体透镜出射至汇聚到PSD位置探测器的光敏面的行程为液体透镜的一倍焦距；液体透镜是指：在设定曲率的透明容器8中盛有具有设定厚度的透明液体10形成的液体透镜；以透明液体10作为角度敏感器，感测倾斜角度的变化；透明液体10的上表面为水平面，液体透镜入射光在透明液体中发生偏折后形成液体透镜出射光；依据透明容器8的曲率、透明液体10的折射率计算获得液体透镜的焦距，设置PSD位置探测器的光敏面与液体透镜的焦平面重合。

本发明中所采用的PSD位置探测器是一种对位置敏感的四边形结构二维探测器，是基于横向光电效应的非分割型光电二极管，根据光敏面上接收到光信号转变为电信号来检测光电位置；根据PSD位置探测器的二维测量属性，可以捕捉光斑在光敏面上两个方向上的位置信号，这种二维测量属性反映到水平仪角度测量中就是在水平面上的x、y两轴方向的倾斜角测量，如图2和图4b所示为水平仪测量y轴向上的水平倾角。

图3示意的水平仪中还包括有作为支撑部件的侧板11和立柱6，侧板11为水平仪侧壁，立柱6用于支撑上平板4。

具体实施中，由式(1)计算获得液体透镜的有效焦距f：

焦距与容器表面曲率半径的关系为

式(1)中：

n为透明液体的折射率，R₁液体透镜上表面曲率半径，R₂为液体透镜下表面曲率半径，液体透镜为平凸透镜，液体透镜的上表面为平面，平面的曲率半径为无限大，则1/R₁取为0；液体透镜中的透明液体为二甲基硅油，透明容器是以亚克力材料制作。

检测原理：

水平仪在零位状态下，激光发射单元出射的光束经第一直角棱镜90°转折后入射液体透镜，此时入射光线与液体透镜的中心轴重合，液体透镜对入射光束进行汇聚后出射，再经第二直角棱镜90°转折聚焦于PSD位置探测器光敏面上，PSD位置探测器模块获取光斑位置信息并将其转换成电信号；

水平仪在测量状态下，整体发生一定角度的倾斜，液体由于重力原因依然保持表面呈水平，激光发射单元出射的光束经第一直角棱镜90°转折后入射液体透镜，入射液体透镜的光束与液体透镜中心轴发生相对角度偏转，出射液体透镜的汇聚光束也会发生角度偏转，相应的，PSD位置探测器聚焦光斑位置相对水平仪零位状态时发生偏移，测量出光斑位置的变化，即可实现倾斜角度的测量。

如图4a所示，水平仪以下平板置于被测目标时进行校准调零后，水平仪在零位状态下，激光发射单元出射的光束L经第一直角棱镜90°转折后入射液体透镜，此时入射光线L与液体透镜的中心轴N重合，液体透镜对入射光束L进行汇聚后出射，再经第二直角棱镜90°转折聚焦于PSD位置探测器光敏面上点O处；

如图2和图4b所示，水平仪在测量状态下，整体发生y轴向水平角度θ倾斜，液体由于重力原因依然保持水平，激光发射单元出射的光束L经第一直角棱镜90°转折后入射液体透镜，与液体透镜中心轴N发生和水平仪整体倾斜角度相同的θ角度偏转，出射液体透镜的汇聚光束会发生一定角度偏转，此时由几何光学知识可知，过液体透镜主点H₁的入射光线L₁不改变方向，因此光束出射液体透镜经第二直角棱镜90°转折聚焦于PSD位置探测器光敏面上点O₁处，由此可得，PSD位置探测器上光斑的位置变化量应为O、O₁的距离x。根据图4b所示的几何关系得出角度θ、曲率半径R、和距离x之间的关系式为：

R sinθ＝x

由此即可得出水平仪测量状态下整体倾斜角度θ。

可见，通过选择具有不同折射率的透明液体，和/或设置具有不同曲率半径的透明容器，即可使液体透镜满足不同量程和分辨力的需求。

本发明在实验室的实验数据量程可以达到±7200″，分辨力可以达到0.5″；本发明利用激光进行快速实时地测量倾斜角变化，测量精度高，同时兼具大量程、高分辨力、结构便携等特点，能够用于精密小角度测量。

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；可以参考上述各实例对本发明的各项特征进行等同替换，这些替换并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪，其特征是：平行且上下间隔设置上平板(4)和下平板(7)；在所述上平板(4)的顶面固定安装激光发射器(2)和第一直角棱镜(3a),在所述上平板(4)的底面利用容器固定座(5)设置液体透镜；在所述下平板(7)的顶面固定安装PSD位置探测器(9)和第二直角棱镜(3b)；所述水平仪是以下平板(7)放置在被测平面上；设置所述激光发射器(2)与第一直角棱镜(3a)在上平板(4)上的中心高度相同；设置所述PSD位置探测器(9)和第二直角棱镜(3b)在下平板(7)上的中心高度相同；使得由所述激光发射器(2)出射的激光光束投向第一直角棱镜(3a)，并在所述第一直角棱镜(3a)中转折90°投向液体透镜，形成液体透镜入射光；液体透镜出射光投向第二直角棱镜(3b)，并在所述第二直角棱镜(3b)中转折90°出射形成检测光，所述检测光投向PSD位置探测器(9)，由所述PSD位置探测器(9)通过对所述检测光进行位置检测获得置于被测平面上的水平仪的倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪，其特征是：光束从液体透镜出射至汇聚到PSD位置探测器的光敏面的行程为液体透镜的一倍焦距。

3.根据权利要求1所述的基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪，其特征是：所述液体透镜是指：在设定曲率的透明容器中盛有具有设定厚度的透明液体形成的液体透镜；以透明液体作为角度敏感器，感测倾斜角度的变化；透明液体的上表面为水平面，液体透镜入射光在透明液体中发生偏折后形成液体透镜出射光。

4.根据权利要求3所述的基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪，其特征是：依据所述透明容器的曲率、透明液体的折射率计算获得液体透镜的焦距，设置PSD位置探测器的光敏面与液体透镜的焦平面重合。

5.根据权利要求4所述的基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪，其特征是：

由式(1)计算获得液体透镜的有效焦距f：

焦距与容器表面曲率半径的关系为

式(1)中：

n为透明液体的折射率，R₁液体透镜上表面曲率半径，R₂为液体透镜下表面曲率半径，所述液体透镜为平凸透镜，液体透镜的上表面为平面，平面的曲率半径为无限大，则1/R₁取为0。

6.根据权利要求1所述的基于液体透镜的大量程双轴光电水平仪，其特征是:所述液体透镜中的透明液体为二甲基硅油，透明容器是以亚克力材料制作。

Images