CN203298771U - 一种具有激光指向的数字地质罗盘仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有激光指向的数字地质罗盘仪，包括壳体，壳体内设置有分别与存储与控制模块相连接的方位角与倾角数据采集模块、激光模块、电源电路和显示模块；磁传感器所代表的地磁方位方向与激光指向模块的激光束的中心线保持一致性；加速度传感器所代表的水平面的X轴或Y轴与激光投线模块所的投射的激光线保持一致或平行。本实用新型利用倾角传感器电路，辅助以激光模块的激光投线功能，对倾斜角度进行采集，且操作十分便利，大幅提高测量的精准度，可以在不必刻意保持罗盘水平下实时读取，大幅减少操作时间。

Description

一种具有激光指向的数字地质罗盘仪

技术领域

本实用新型属于地质罗盘仪技术领域，涉及一种具有激光指向的数字地质罗盘仪。 

背景技术

目前，地质罗盘仪均是机械式指针设计，常用于测量各种地质构造的方位角（走向、倾向）、倾角。这种罗盘有如下缺点： 

（1）测量精度误差大：比如在测量方位时需要首先保持相对水平，这就需要观察用于测量水平的水银泡居中平衡状态，由于手持罗盘产生的颤动此时会存在观察误差。在相对水平后读取数据时或读取指针漂移中心值或手动控制指针停止摆动，这时也会产生至少1-3度的误差，与前述误差累积会产生更大的误差。而在机械部件老化及使用环境恶劣时，传统罗盘的误差会更大。测量倾角时需要首先获取水平方向，也同样会产生较大误差； 

（2）操作效率低：传统罗盘由于在测量时受到前述保持水银泡的平衡、观测指针平衡都比较费时，并且往往需要重复多次才能获取比较准确的数据；测量倾角时也需要重复上述过程，故此需要花费相对较多的时间，这在矿井井下较恶劣甚至不安全的条件下，使用这种罗盘仪就有十分明显的不足。 

实用新型内容

本实用新型提供一种具有激光指向的数字地质罗盘仪，其测量精度高且操作效率高，还能够进一步具备多种检测或数据采集功能。 

本实用新型所采用的技术方案是： 

一种具有影像采集功能的数字地质罗盘仪，包括壳体，壳体内设置有分别与存储与控制模块相连接的方位角与倾角数据采集模块、激光模块、电源电路和显示模块； 

所述的方位角与倾角数据采集调理模块包括磁传感器、加速度传感器和A/D 转换器，A/D转换器将磁传感器、加速度传感器所采集的原始数据的调理并将其发送给存储与控制电路； 

所述的激光模块包括激光指向模块和/或激光投线模块； 

磁传感器所代表的地磁方位方向与激光指向模块的激光束的中心线保持一致性；加速度传感器所代表的水平面的X轴或Y轴与激光投线模块所的投射的激光线保持一致或平行； 

存储与控制模块读取方位角与倾角数据采集模块所测量到的方位角与倾角数据，获得仰俯角和侧滚角，将方位角、仰俯角和侧滚角数据，并发送至显示模块显示； 

存储与控制电路控制激光模块的激光指向，使激光模块发射一束与当前罗盘仪方位角一致的激光束； 

存储与控制电路控制激光模块的激光投线，使激光模块发射一条与当前罗盘仪倾斜角度一致的激光线。 

所述磁传感器为3轴磁传感器，所述加速度传感器为3轴加速度传感器； 

或者磁传感器、加速度传感器为集成3轴磁传感器与3轴加速度传感器的集成传感器。 

所述的壳体内还设有与存储与控制电路相连接的气压高程测量电路，存储与控制电路读取气压高程测量电路所测量到的气压、温度数据，经运算获得高程，将气压、温度、高程数据在显示模块的显示屏上显示。 

所述的气压高程测量电路包括气压力传感器和转换器，转换器将气压力传感器所采集的气压、温度原始数据的调理并将其发送给存储与控制电路。 

所述的壳体内还设有与存储与控制电路相连接的卫星定位模块，存储与控制电路读取卫星定位模块所测量到的经纬度，将经纬度数据在显示模块的显示屏上显示。 

所述的卫星定位模块还连接有天线，采用GPS定位模块、北斗系统定位模 块、格洛纳斯定位模块、伽利略系统定位模块中的一种或几种组合；卫星定位模块将所检测的定位信息发送给存储与控制电路。 

所述的卫星定位模块还连接有影像采集与处理模块，存储与控制模块接收影像采集与处理模块所采集的图像数据，并发送至显示模块上显示。 

所述影像采集与处理模块包括摄像头和影像处理电路，摄像头设置在壳体上，影像处理电路对采集的影响处理并发送给存储与控制模块。 

所述的显示模块包括显示驱动电路和显示屏，显示驱动电路在存储与控制电路的控制下驱动显示屏，将相应的内容显示在显示屏。 

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果： 

本实用新型提供的具有激光指向的数字地质罗盘仪，利用磁传感器电路，辅助以激光模块的激光指向功能实现对方位角进行采集；磁传感器所代表的地磁方位方向与激光模块的激光指向的激光束的中心线保持一致性，即可保证激光指向方向与地磁方位方向一致；加速度传感器所代表的水平面的X或Y轴与激光模块的激光投线功能所投射的线，尽可能保持一致或平行，即可保证激光投线功能所投出激光线的倾角与罗盘仪测量倾斜角度时所对准的倾斜面的倾角保持一致；这样利用倾角传感器电路，辅助以激光模块的激光投线功能，对倾斜角度进行采集，且操作十分便利，大幅提高测量的精准度，可以在不必刻意保持罗盘水平下实时读取，大幅减少操作时间。 

进一步，本实用新型提供的具有激光指向的数字地质罗盘仪，利用气压高程测量模块所测量到的气压、温度数据，经运算获得高程，并通过卫星定位模块所测量到的经纬度和高程数据；这样可以及时为野外地质工作者提供包括卫星定位、气温、气压和高程等必要的环境数据依据，对野外地质工作具有显著的实用价值。 

本实用新型提供的具有激光指向的数字地质罗盘仪，还能够利用影像采集功能可以拍摄工作现场的图片或影像数据并予以保存，减少携带照相机，减少 野外或矿井井下时地质工作者的劳动强度。 

附图说明

图1是本实用新型具有激光指向的数字地质罗盘仪的连接示意图； 

图2是本实用新型具有激光指向的数字地质罗盘仪的结构框图； 

图3是本实用新型具有激光指向的数字地质罗盘仪的使用操作流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步详细的说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。 

下面结合附图对本实用新型矿用数字地质罗盘仪做详细描述： 

参见图1、图2，具有激光指向的数字地质罗盘仪，其特征在于，包括壳体，壳体内设置有分别与存储与控制模块相连接的方位角与倾角数据采集模块、激光模块、电源电路和显示模块； 

所述的方位角与倾角数据采集调理模块包括磁传感器、加速度传感器和A/D转换器，A/D转换器将磁传感器、加速度传感器所采集的原始数据的调理并将其发送给存储与控制电路； 

所述的激光模块包括激光指向模块和/或激光投线模块； 

磁传感器所代表的地磁方位方向与激光指向模块的激光束的中心线保持一致性；加速度传感器所代表的水平面的X轴或Y轴与激光投线模块所的投射的激光线保持一致或平行； 

存储与控制模块读取方位角与倾角数据采集模块所测量到的方位角与倾角数据，获得仰俯角和侧滚角，将方位角、仰俯角和侧滚角数据，并发送至显示模块显示； 

存储与控制电路控制激光模块的激光指向，使激光模块发射一束与当前罗盘仪方位角一致的激光束； 

存储与控制电路控制激光模块的激光投线，使激光模块发射一条与当前罗 盘仪倾斜角度一致的激光线； 

当显示在显示模块上数据需要保存时，在存储至存储与控制模块的控制下，该数据被存储至存储与控制模块。 

确定磁传感器所代表的地磁方位方向与激光模块的激光指向的激光束的中心线保持一致性，即可保证激光指向方向与地磁方位方向一致； 

确定加速度传感器所代表的水平面的X或Y轴与激光模块的激光投线功能所投射的线，尽可能保持一致或平行，即可保证激光投线功能所投出激光线的倾角与罗盘仪测量倾斜角度时所对准的倾斜面的倾角保持一致； 

存储与控制电路控制激光模块的激光指向功能，该功能能够使罗盘仪发射一个与当前罗盘仪方位角一致的激光束，辅助方位角测量时测量方位的确定；存储与控制电路控制激光模块的激光投线功能，该功能能够使罗盘仪发射一条与当前罗盘仪倾斜角度（仰俯角和侧滚角）一致的激光线，辅助倾角测量时测量当前对象倾斜角度的确定。 

具体的，所述的方位角与倾角数据采集模块包括磁传感器、加速度传感器和A/D转换器，磁传感器采集并给出方位角，重力加速度传感器采集并给出倾斜角度。 

所述磁传感器为3轴磁传感器，所述重力加速度传感器为3轴加速度传感器。还可以，将3轴磁传感器与3轴重力加速度传感器集成设计，集成为三轴磁力计和三轴加速计的传感器。 

进一步，所述的壳体内还设有与存储与控制模块相连接的气压高程测量模块，存储与控制模块读取气压高程测量模块所测量到的气压、温度数据，经运算获得高程，将气压、温度、高程数据存贮并在显示模块上显示。 

所述的壳体内还设有与存储与控制模块相连接的卫星定位模块，存储与控制模块读取卫星定位模块所测量到的经纬度和高程数据，将经纬度和高程数据存贮并在显示模块上显示。 

所述的卫星定位模块还连接有影像采集与处理模块，存储与控制模块接收影像采集与处理模块所采集的图像数据，并发送至显示模块上显示。 

下面对各模块进行详细的说明： 

方位角与倾角数据采集模块：所述的方位角与倾角数据采集调理电路包括磁传感器、加速度传感器和A/D转换器，A/D转换器将磁传感器、加速度传感器所采集的原始数据的调理并将其发送给存储与控制电路。 

具体的所述磁传感器为3轴磁传感器，所述重力加速度传感器为3轴加速度传感器。还可将3轴磁传感器与3轴重力加速度传感器集成设计，集成为三轴磁力计和三轴加速计的传感器。 

激光模块：所述激光模块包括激光指向模块和/或激光投线模块；采用微型的以激光二极管为核心的模组设计，可以直接采用目前常见的微型激光束模组、“一字”激光模组，具备投射点状激光、“一字”线激光功能。激光指向功能能够使罗盘仪发射一个与当前罗盘仪方位角一致的激光束，辅助方位角测量时测量方位的确定；激光投线功能能够使罗盘仪发射一条与当前罗盘仪倾斜角度（仰俯角和侧滚角）一致的连续激光线，辅助倾角测量时测量当前对象倾斜角度的确定。 

存储与控制模块：包括通过数据总线相连接的控制器和存储器，对整个罗盘操作的电路控制、数据处理，如总电源开关、显示控制、上述传感器采集数据的加工处理、方位角、倾角、显示内容控制，以及气温、气压、高程等数据的存储等。 

显示模块：采用液晶屏显示模组，用于显示结果数据如方位角、横滚角、仰俯角度、气温、气压高程数据及方位变化模拟图形、仰俯与横滚模拟图形等（仰俯角指当前航向即方位角方向线相对水平面的夹角；横滚角指罗盘平面垂直于航向方向与水平面的夹角）。当需要调用影像时，调用影像并在液晶屏上进行显示。 

电源模块：负责系统各电路供电。 

气压高程测量模块，采用大气压力传感器，与存储与控制模块配合，完成大气压力、温度采集，并换算成高程数据的功能。具体的所述的气压高程测量模块包括大气压力传感器和处理芯片，大气压力传感器将所检测的信号发送给处理芯片。 

卫星定位模块：采用卫星定位芯片，与存储与控制模块配合，完成观测点经纬度及高程坐标数据的获取功能。可采用GPS定位模块、北斗系统定位模块、格洛纳斯定位模块、伽利略系统定位模块中的一种或几种组合。 

影像采集处理模块：包括摄像头和影像处理电路，摄像头设置在壳体上，影像处理电路对采集的影响处理并发送给存储与控制模块，完成图片或影像数据的采集与存储。 

如图3所示，本实用新型具有影像采集功能的数字地质罗盘仪，其操作过程包括如下步骤： 

1）方位角、倾角数据采集：存储及控制模块通过数据采集模块中的3轴磁传感器芯片、3轴倾角传感器芯片读取各传感器的地磁场数据与重力加速度变化数据。 

2）影像数据采集：通过微型高分辨率数字摄像头，实现原始数字影像数据的获取。 

3）数据处理：存储及控制模块对数据采集模块采集的数据在控制模块中进行加工处理，按照各类传感器原始数据，计算出最终方位角、仰俯、横滚角度。 

数据显示与存储对上述处理完毕的数据由控制模块发送指令到显示模块进行显示，控制模块负责对显示内容的控制。必要时存储显示结果，如经纬度、温度、方位角、仰俯、横滚等。 

当采用气压高程测量模块或卫星定位模块时，其数据采集如下： 

气压高程测量模块数据采集：通过气压高程测量模块中的处理芯片读取大 气压力传感器的数据，实现原始温度、大气压力数据的获取，进而通过运算获得高程数据或高程数据。 

卫星定位数据采集：通过卫星定位模块，实现对观测点位置坐标的经纬度值、高程数据的获取。这样就可以提供两种途径所获得的高程数据，可以进一步相互印正。 

本实用新型具有影像采集功能的数字地质罗盘仪采用电子罗盘技术、重力加速度检测技术相结合，配合激光技术，卫星定位技术等将有效避免传统罗盘仪设计的不足，并且具备更加适合野外地质调查环境使用的优点，成为地质工作者的新型工作利器，还可以广泛应用于户外运动等领域。与此同时，还能够利用影像采集功能可以拍摄工作现场的图片或影像数据并予以保存，减少携带照相机，减少野外或矿井井下时地质工作者的劳动强度。 

具体的，本实用新型采用目前市场上可以方便购买到的磁传感器、激光模组、GPS等卫星定位模块、重力加速度传感器作为核心电子芯片，并通过电路设计实现数据处理与存储，完成较高精度、同时能够获取观测点坐标、气温、气压、高程数据的地质罗盘仪的设计。其中： 

（1）当前市场上的电子罗盘，也叫数字指南针，是利用磁传感器测量地磁场来定北极的一种装置。它只能测量方位，不能用于测量倾斜角度。这种电子罗盘或称数字罗盘已经广泛应用于手机、笔记本电脑、消费类电子、汽车导航系统和个人导航系统等领域。这种电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维（轴）电子罗盘。平面电子罗盘要求用户在使用时必须保持罗盘的水平，否则当罗盘发生倾斜时，也会给出航向的变化而实际上航向并没有变化。三维（轴）电子罗盘克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制，因为三维（轴）电子罗盘在其内部加入了倾角传感器，如果罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿，这样即使罗盘发生倾斜，航向（方位）数据依然准确无误。有时为了克服温度漂移，罗盘也可内置温度补偿装置，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。 

（2）重力加速度传感器（倾角传感器），它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率足以能够测量不到0.1°的倾斜角度变化。此类芯片采用超低功耗3轴加速度计，可以同时读取沿航向（方位角方向）上的仰俯角度和垂直航向的横滚角度，分辨率高，可以满足对各类对象的倾斜角度的测量。并且由于同时可以读取仰俯、横滚两个角度，而给罗盘读取倾角带来操作上的便利（不必刻意旋转罗盘，可以读取即时的倾角）。此类倾角传感器在军事、航天航空、工业自动化、工程机械、铁路机车、消费电子、海洋船舶等领域得到广泛运用。 

（3）激光模组：用于投射一条激光束、激光线，激光具有投射距离远，扩散小的特点，广泛用于工业、民用的各类需要精确标定方向、水平线的各类场合，如激光指向仪、精密车床加工的投线仪等。由于本多功能罗盘仪是一种便携设备，可以采用市场上常见的波长650nm、功耗在5mW左右的微型激光模组，也可以采购相应的激光二极管等核心部件，自行设计该组件。 

（4）本实用新型采用常见的微型高分辨率数字摄像头，作为影像采集传感器，并配合影像数据处理电路，结合存储控制模块完成影像数据的拍摄和存储功能。当前，微型摄像机的应用已经十分普遍，它广泛应用于手机等数码产品、视频监控、管道拍摄、特殊摄像（如侦查拍摄、记着取证等）领域，可以进行照片拍摄和连续摄像，分辨率可以到达420TVLine以上，在必要时配合闪光灯或辅助光源，可以获得效果理想的影像数据。本实用新型的影像采集功能，即是采用此类微型摄像机功能设计实现。这样，在地质工作应用中可以实现工具的集成应用，即数字地质罗盘功能与影像采集功能相配合，在提高地质工作者的对地质体进行方位角、倾角测量工作效率的同时，还可以获取到现场更为详实的影像数据。 

（5）大气压力传感器，如BMP085传感器，并配合数据处理电路设计，结合存储控制模块完成温度、气压数据获取，并通过大气压与高程的近似线性的 转换算法，获取高程数据。当前，大气压力传感器的应用已经十分普遍，它广泛应用于户外运动、体育、医疗健康、天气预报等领域，可以实时的温度、气压、高程数据的获取。本实用新型的气温、气压、高程数据的获取功能，即是采用此类大气压力传感器设计实现。这样，在地质工作应用中可以实现多种有价值数据的获取，即数字地质罗盘功能（获取方位角、倾角）与气温、气压、高程获取功能相配合，在提高地质工作者的对地质体进行方位角、倾角测量工作效率的同时，还可以获取到现场更为丰富的科考数据，同时为野外生存提供科考保障。 

（6）卫星定位模块，采用当前常见四大卫星导航系统：美国的GPS（全球卫星定位系统）、中国的北斗系统、俄罗斯的格洛纳斯系统、欧洲的伽利略系统技术的一种或多种核心芯片设计实现，获取观测点的坐标信息，信息包括经、纬度、高程等数据，卫星导航技术已经广泛应用于汽车导航、航海航空、地面测绘、军事等领域。通过该模块的功能可以使地质工作者或户外探险者方便地获得当前的坐标位置及高程数据，当前GPS的地面定位精度为5-15m，北斗系统的精度为10m左右。 

本实用新型通过对上述三方面进行常规电子技术开发，实现矿用地质罗盘仪读取方位角、倾角的功能。具有如下优点： 

（1）精度高：两种传感器读取的方位角精度一般可以达到3.0°、倾角测量精度一般可以达到0.1°。配合激光指向、激光投线功能，能够使用户更加准确地测量被测对象的特征值（方位角、倾角）。 

（2）操作十分便利：该数字罗盘在读取方位角时由于采用三维（轴）技术，有角度补偿功能，可以在不必刻意保持罗盘水平下实时读取，大幅减少操作时间。 

（3）重量轻携带更加方便：由于该设计是基于电子产品设计模式，可以实现罗盘重量仅为传统罗盘的1/2，厚度尺寸达到传统罗盘的1/3左右，并可以不 携带数码相机。 

（4）数据更为丰富：对于野外地质工作者或户外运动者除了一般地质罗盘具有的测量方位、倾角功能外，更可以获取经纬度坐标、温度、压力、高程等数据，从而为地质工作提供更为丰富可靠的成果，同时，为野外工作者的生存能力提供保障。 

以上所述仅为本实用新型的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本实用新型说明书而对本实用新型技术方案采取的任何等效的变换，均为本实用新型的权利要求所涵盖。 

Claims (9)

1.一种具有激光指向的数字地质罗盘仪，其特征在于，包括壳体，壳体内设置有分别与存储与控制模块相连接的方位角与倾角数据采集模块、激光模块、电源电路和显示模块； 

所述的方位角与倾角数据采集调理模块包括磁传感器、加速度传感器和A/D转换器，A/D转换器将磁传感器、加速度传感器所采集的原始数据的调理并将其发送给存储与控制电路； 

所述的激光模块包括激光指向模块和/或激光投线模块； 

磁传感器所代表的地磁方位方向与激光指向模块的激光束的中心线保持一致性；加速度传感器所代表的水平面的X轴或Y轴与激光投线模块所的投射的激光线保持一致或平行； 

存储与控制模块读取方位角与倾角数据采集模块所测量到的方位角与倾角调理数据，获得方位角、仰俯角和侧滚角，并发送至显示模块显示； 

存储与控制电路控制激光模块的激光指向，使激光模块发射一束与当前罗盘仪方位角一致的激光束； 

存储与控制电路控制激光模块的激光投线，使激光模块发射一条与当前罗盘仪测量倾斜角度一致的激光线。 

2.如权利要求1所述的具有激光指向的数字地质罗盘仪，其特征在于，所述磁传感器为3轴磁传感器，所述加速度传感器为3轴加速度传感器； 

或者磁传感器、加速度传感器为集成3轴磁传感器与3轴加速度传感器的集成传感器。 

3.如权利要求1所述的具有激光指向的数字地质罗盘仪，其特征在于，所述的壳体内还设有与存储与控制电路相连接的气压高程测量电路，存储与控制电路读取气压高程测量电路所测量到的气压、温度数据，经运算获得高程，将气压、温度、高程数据在显示模块的显示屏上显示。 

4.如权利要求3所述的具有激光指向的数字地质罗盘仪，其特征在于，所 述的气压高程测量电路包括气压力传感器和转换器，转换器将气压力传感器所采集的气压、温度原始数据的调理并将其发送给存储与控制电路。 

5.如权利要求1所述的具有激光指向的数字地质罗盘仪，其特征在于，所述的壳体内还设有与存储与控制电路相连接的卫星定位模块，存储与控制电路读取卫星定位模块所测量到的经纬度，将经纬度数据在显示模块的显示屏上显示。 

6.如权利要求5所述的具有激光指向的数字地质罗盘仪，其特征在于，所述的卫星定位模块还连接有天线，采用GPS定位模块、北斗系统定位模块、格洛纳斯定位模块、伽利略系统定位模块中的一种或几种组合；卫星定位模块将所检测的定位信息发送给存储与控制电路。 

7.如权利要求1所述的具有激光指向的数字地质罗盘仪，其特征在于，所述的卫星定位模块还连接有影像采集与处理模块，存储与控制模块接收影像采集与处理模块所采集的图像数据，并发送至显示模块上显示。 

8.如权利要求7所述的具有激光指向的数字地质罗盘仪，其特征在于，所述影像采集与处理模块包括摄像头和影像处理电路，摄像头设置在壳体上，影像处理电路对采集的影响处理并发送给存储与控制模块。 

9.如权利要求1所述的具有激光指向的数字地质罗盘仪，其特征在于，所述的显示模块包括显示驱动电路和显示屏，显示驱动电路在存储与控制电路的控制下驱动显示屏，将相应的内容显示在显示屏。 

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