CN213779007U - 高精度二维水平仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种高精度二维水平仪，包括基座、水银盘、二维自准直仪和控制器；水银盘中盛有水银，固定在基座上，水银盘基面与基座基面平行；其中，水银面为绝对水平面；二维自准直仪固定在基座上，位于水银盘上方；当水平仪放置在水平平面上时，二维自准直仪的光轴与水平面、基座下端面和水银面垂直；二维自准直仪发出光束，经水银面反射成像在二维自准仪直仪的图像传感器的中心位置；当水平仪放置于非水平平面上时，基座和二维自准仪会发生倾斜，而水银面仍保持水平，反射光束成像在图像传感器的非中心位置，基于成像位置的不同，通过连接控制器进行计算，得到待测平面的角度信息，以此解决现有技术中，无法进行二维水平角度高精度测量的问题。

Description

高精度二维水平仪

技术领域

本申请涉及测量技术领域，尤其涉及一种高精度二维水平仪。

背景技术

水平仪是一种测量小角度的常用量具。在机械行业和仪表制造中，用于测量相对于水平位置的倾斜角、机床类设备导轨的平面度和直线度、设备安装的水平位置和垂直位置等。按水平仪的外形不同可分为：万向水平仪，圆柱水平仪，一体化水平仪，迷你水平仪，相机水平仪，框式水平仪，尺式水平仪；按水准器的固定方式又可分为：可调式水平仪和不可调式水平仪。而现有的水平仪精度较高的只能对一维角度进行测量，而能二维测量的水平仪精度普遍较低。

以上方法存在以下缺点：

1、高精度水平仪只能测量一维水平角度，不能同时高精度测量二维水平角度。

2、能够测量二维水平角度的设备，测量精度普遍较低。

本发明从原理上不同于以上产品，以解决二维水平角度的高精度测量的难题。

实用新型内容

本申请实施例提供一种高精度二维水平仪，用于解决现有技术中二维水平角度测量精度低的问题。

本申请实施例提供一种高精度二维水平仪，包括：基座、水银盘、二维自准直仪和控制器；

所述水银盘中盛有水银，固定在所述基座上，并且所述水银盘基面与所述基座基面平行；其中，所述水银面为绝对水平平面；

所述二维自准直仪固定在所述基座上，位于所述水银盘正上方；当所述水平仪置于绝对水平面上时，所述二维自准直仪的光轴与水平面、所述基座下端面和水银面垂直；

所述二维自准直仪发出光束，经水银面反射返回至二维自准直仪；其中，当水平仪放置于水平平面上时，光束经水银面反射后成像在二维自准仪直仪的图像传感器的中心位置；当水平仪放置于非水平平面上时，所述基座和所述二维自准仪会发生倾斜，而水银面仍保持水平，由所述二维自准仪发出的光束经水银面反射的光束成像在图像传感器的非中心位置；

所述控制器与所述二维自准直仪连接，用于通过基于成像质心位置信息得到待测平面偏离水平面的角度。

可选的，还包括显示面板；

所述显示面板与所述控制器连接，用于显示所述待测平面偏离水平面的角度。

可选的，还包括与所述控制器连接的指示灯；

所述指示灯通过不同显示状态展示待测平面的高位和低位。

可选的，所述指示灯为LED灯。

可选的，所述机械结构材料为热膨胀系数小于3×10^-6的金属材料。

可选的，所述基座材料为热膨胀系数小于2×10^-6的金属或非金属材料。

可选的，所述水银盘包括密封的玻璃器皿；

所述玻璃器皿用于盛放水银。

可选的，所述控制器核心部件为FPGA或DSP。

可选的，所述显示面板为LCD屏。

可选的，所述二维自准直仪为可离焦二维自准直仪；

所述可离焦二维自准直仪用于通过离焦调节，弥补因水银分子之间的分子作用力导致水银面曲率半径变化引起的误差。

本申请实施例提供的高精度二维水平仪，包括基座、水银盘、二维自准直仪和控制器；基座在最下端，水银盘和二维自准直仪都固定在基座上，二维自准直仪高与水银盘，水银盘内盛有水银，当设备处于水平平面上时，水银盘基座的下端面、水平面和水银面平行，且与自准直仪的光轴垂直，二维自准直仪发生光束，光束经绝对水平的水银面反射，成像在二维自准直仪中。如此，当设备处于水平平面上时，二维自准直仪发出的光束照射在水银盘的水银反射面上，经过水银反射面的反射后再经过二维自准直仪的接收光路成像在二维自准直仪上图像传感器的中心位置；而当设备处于非水平平面上时，设备发生倾斜时，基座和二维自准仪都会发生倾斜，而设备内部的水银盘的水银平面依然保持绝对水平，这样二维自准仪的光轴与水银盘的水银平面不再是垂直关系，经过水平盘反射的光束经过二维自准直仪成像的图像传感器的非中心位置即边缘位置，再通过与二维自准直仪连接的控制器基于光束成像位置得到待测平面偏离水平面的角度，高精度的检测到待测平面偏离水平面的角度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的高精度二维水平仪的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的高精度二维水平仪在倾斜面上的工作示意图。

1-基座、2-水银盘，3-二维自准直仪，4-控制器、5-指示灯。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。

图1为本申请实施例提供的高精度二维水平仪的结构示意图，如图1所示，本申请实施例提供的高精度二维水平仪包括：基座1、水银盘2、二维自准直仪3和控制器4；所述水银盘2中盛有水银，固定在所述基座1上，并且所述水银盘1基面与所述基座2基面平行；其中，所述水银面为绝对水平面；所述二维自准直仪3固定在所述基座1上，位于所述水银盘2正上方；当所述水平仪置于绝对水平面上时，所述二维自准直仪3的光轴与水平面、所述基座1下端面和水银面垂直；

具体的，基座1位于整个水平仪的最下方，基座1的材料可以使用热膨胀系数很小的金属或非金属材料，例如殷钢，以减小因热膨胀引起形变，影响测量，从而保证检测准确性。基座1的形状为底部边缘有支点凸起，支点凸起直接与带测量平面接触，其上为一个平面，平面上用于固定安装水银盘2等设备。水银盘2安装在基座1的上方且水银盘2基面与基座1基面相互平行，水银盘 2可以是密闭器皿，器皿的材料可以是光学玻璃，水银密封在该玻璃器皿中，防止挥发而破坏环境，当然水银盘2的材料也可以是其他低膨胀塑料等。另外水平仪上的包括基座1、与基座1固定或连接的各个位置的机械结构也采用低膨胀系数的材料，以保证设备在外界环境变化时的精确度。

需要说明的是，因为水银为液体，所以无论如何放置水平仪，即无论将水平仪放置在水平平面上或倾斜平面上，该水银面都是绝对水平的平面。并且通过水银的使用，可以实现二维自准直仪3发出的光线可经水银面发射，返回二维自准直仪3中成像，从而根据成像数据得到待测平面的角度数据。

二维自准直仪3也固定在基座1上，位于水银盘2的上方，二维自准直仪 3采用高精度二维自准直仪，二维自准直仪3在角度为±200″范围内，自准仪的角精度为0.1″，在角度为±1000″范围内，自准仪的角精度为0.2″，因此可以得出二维高精度水平仪的最高水平测量精度能够达到0.1″，从而保证整个水平仪的测量精度优于0.1″。

另外，二维自准直仪3的焦距可以是20mm～600mm范围内，而且二维自准直仪3采用可调焦二维自准直仪，二维自准直仪3内的发射光路可以适当离焦，以适应由水银分子力的作用而使水银面有微小的曲率半径，使返回的光束为平行光束。

所述二维自准直仪3发出光束，经水银面反射返回至二维自准直仪3；其中，当水平仪放置于水平平面上时，光束经水银面反射后成像在二维自准仪直仪3的图像传感器的中心位置；当水平仪放置于非水平平面上时，所述基座1 和所述二维自准直仪3会发生倾斜，而水银面仍保持水平，由所述二维自准直仪3发出的光束经水银面反射的光束成像在图像传感器的非中心位置；

具体的，二维自准直仪3位于水银盘的上方，由二维自准直仪3出射的光束照射在其下方的水银盘2上，水银盘2中的水银面作为一个绝对水平的镜面将光束反射回二维自准直仪3中。其中，当设备处于水平平面上时，基座1的下端面、水银面与二维自准直仪3的光轴垂直，如此，设备在绝对水平面上旋转设备时，从水平盘反射回的光束在二维自准直仪3上的光敏感面上的质心位置不发生变化。

在待测平面为水平平面时，经基座1下端面、水银面与二维自准直仪3的光轴垂直，由二维自准直仪3发出的光束经水银面发射后，成像在图像传感器中心位置；在测量非水平面时，如图2所示，设备处于非水平状态时，基座1 和二维自准直仪3会发生倾斜，而设备内部的水银盘3的水银平面依然保持绝对水平，这样二维自准直仪3的光轴与水银盘2的水银平面不再是垂直关系，经过水银面反射的光束经过二维自准直仪3成像的图像传感器的非中心位置即边缘位置，以此得到倾斜平面成像数据，通过控制器4得到其与水平平面偏差的角度数据。

所述控制器4与所述二维自准直仪3连接，用于通过基于成像质心位置信息得到待测平面偏离水平面的角度。

具体的，控制器4的核心器件可以采用FPGA或DSP，与二维自准直仪3 连接，从图像传感器上获取反射光在图像传感器的成像位置信息，基于成像的质心位置确定待测平面的角度。在实际应用中，确定角度数据的方式可以是通过预先测量角度与成像位置进对应关系，在检测到成像位置后，直接对应角度数据，当然可以是其他方式，从成像位置得到平面角度数据。

需要说明的是，根据成像位置与待测平面的角度数据的关系，对应得到待测平面的角度数据，为本领域的常用技术手段，所以本申请并不涉及复杂的算法改进。

进一步的，本申请实施例提供的高精度二维水平仪还包括显示面板，显示面板为彩色或黑白LCD屏，通过与控制器4连接，用于显示得到的待测平面偏离水平面的角度数据等。在实际应用中，显示面板也可以是与控制器4集成在一起的，从而增加设备一体性。

进一步的，本申请实施例提供的高精度二维水平仪还包括指示灯5。指示灯5可以是单色、或者白光、或者多色的LED灯，可以设置在基座1的四周均匀分布，也可以设置设备其他位置，如水平仪外壳四周。指示灯5与控制器4 连接，在控制器4得到待测平面角度数据后，控制指示灯5的工作状态来显示平面的高位和低位。其中，显示的模式可以是控制设置在高位的指示灯发光，而低位的指示灯不发光，也可以是高位的指示灯发出一种特定的光色，而低位的指示灯发出另一种固定的光色，通过一个灯的不同发光状态或是不同的灯的不同发光状态，直接对待测平面的高位和低位进行显示，直观方便的供使用者查看。可以理解的是，高位低位是待测倾斜平面的高位和低位，并不是水平仪设备本身的高位低位。

本申请实施例提供的高精度二维水平仪，通过在基座1上设置水银盘2、二维自准直仪3，通过水银盘2中的水银面提供绝对水平的反射面，将二维自准直仪3发出的光束进行反射，在二维自准直仪3上进行成像，再通过控制器4基于成像位置确定待测平面的倾斜角度，并且在显示面板上进行展示，以及通过指示灯5直观显示待测平面的高位和低位，通过高精度二维自准直仪的使用，以及利用本申请提供的结构，可以利用成像信息高精度的测量被测面的二维水平角度，并且保证测量精度优于0.1″，同时通过显示面板和指示灯5，直观展示倾斜数据，解决了现有技术中，无法对二维水平角度的进行高精度测量问题。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种高精度二维水平仪，其特征在于，包括：基座、水银盘、二维自准直仪和控制器；

所述水银盘中盛有水银，固定在所述基座上，并且所述水银盘基面与所述基座基面平行；其中，所述水银面为绝对水平面；

所述二维自准直仪固定在所述基座上，位于所述水银盘上方；当所述水平仪置于绝对水平面上时，所述二维自准直仪的光轴与水平面、所述基座下端面和水银面垂直；

所述二维自准直仪发出光束，经水银面反射返回至二维自准直仪；其中，当水平仪放置于水平平面上时，光束经水银面反射后成像在二维自准仪直仪的图像传感器的中心位置；当水平仪放置于非水平平面上时，所述基座和所述二维自准仪会发生倾斜，而水银面仍保持水平，由所述二维自准仪发出的光束经水银面反射的光束成像在图像传感器的非中心位置；

所述控制器与所述二维自准直仪连接，用于基于成像质心位置信息得到待测平面偏离水平面的角度。

2.根据权利要求1所述的一种高精度二维水平仪，其特征在于，还包括显示面板；

所述显示面板与所述控制器连接，用于显示所述待测平面偏离水平面的角度。

3.根据权利要求2所述的一种高精度二维水平仪，其特征在于，还包括与所述控制器连接的指示灯；

所述指示灯通过不同显示状态展示待测平面的高位和低位。

4.根据权利要求3所述的一种高精度二维水平仪，其特征在于，所述指示灯为LED灯。

5.根据权利要求4所述的一种高精度二维水平仪，其特征在于，所述高精度二维水平仪机械结构材料为热膨胀系数小于3×10^-6的金属材料。

6.根据权利要求4所述的一种高精度二维水平仪，其特征在于，所述基座材料为热膨胀系数小于3×10^-6的金属或非金属材料。

7.根据权利要求4所述的一种高精度二维水平仪，其特征在于，所述水银盘包括密封的玻璃器皿；

所述玻璃器皿用于盛放水银。

8.根据权利要求1所述的一种高精度二维水平仪，其特征在于，所述控制器的核心器件为FPGA或DSP。

9.根据权利要求2所述的一种高精度二维水平仪，其特征在于，所述显示面板为LCD屏。

10.根据权利要求1所述的一种高精度二维水平仪，其特征在于，所述二维自准直仪为可离焦二维自准直仪；

所述可离焦二维自准直仪用于通过离焦调节，弥补因水银分子之间的分子作用力导致水银面曲率半径变化引起的误差。

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