CN219694161U - 一种数字水准仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种数字水准仪，包括：望远镜、分光镜、CCD探测器、倾角传感器、微控制器和显示屏；分光镜设置于望远镜的物镜的光轴上，用于将由物镜射入的光线分散成透射光线和反射光线；CCD探测器设置于反射光线的光路上；倾角传感器与分光镜连接；微控制器的输入端分别与倾角传感器和CCD探测器连接；微控制器的输出端与显示屏连接。本实用新型基于几何原理：分光镜相对于水平线的倾斜角度等于分光镜的透射光线(视准轴)相对于水平线(水准轴)的倾斜角度，也就是光学i角。故本实用新型通过倾角传感器检测分光镜相对于水平线的倾斜角度来自动测量光学i角，操作简便，减少了测量人员的工作量。
Description
技术领域
本申请涉及测量设备技术领域，尤其涉及一种数字水准仪。
背景技术
数字水准仪是进行高差测量的测量仪器，它广泛地用于各种工程水准测量领域。在测量学中，数字水准仪的水平轴线与视准轴理论上应该是平行关系，但是实际上水平轴线与视准轴往往存在着夹角，我们把这个夹角在竖直面上的投影称为光学i角，由此引起的误差称为光学i角误差。
数字水准仪的光学i角受外界温度、湿度、振动的影响而瞬时变化，故使用数字水准仪进行水准测量时必须经常对其光学i角进行检测与校正。现有的光学i角检测方法是竖立两根水准尺，把水准仪安置在两个水准尺之间，并且距两个水准尺距离不同，利用所测得到的两个水准尺点之间的高差会受到光学i角的影响且与距离成比例这一特点，从而比较在不同距离的情况下，在水准尺上读数的差别而求出光学i角。
然而现有的光学i角检测方法需要在水准仪、水准尺和多名人工相互配合下完成，效率不高、耗时费力。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型公开了一种数字水准仪。
本实用新型公开的数字水准仪，包括：望远镜、分光镜、CCD探测器、倾角传感器、微控制器和显示屏；
所述分光镜设置于所述望远镜的物镜的光轴上，用于将由所述物镜射入的光线分散成透射光线和反射光线；
所述CCD探测器设置于所述反射光线的光路上；
所述倾角传感器与所述分光镜连接；
所述微控制器的输入端分别与所述倾角传感器和所述CCD探测器连接；
所述微控制器的输出端与所述显示屏连接。
优选地，所述分光镜为两个完全一样的直角三棱镜组成的复合棱镜。
所述两个直角三棱镜的斜镜面相互粘合；
所述斜镜面与所述物镜的光轴的夹角为45°。
所述斜镜面与所述CCD探测器的横向中轴线的夹角为45°。
所述复合棱镜的一个镜面为水平镜面；
所述倾角传感器的横向中轴线平行于所述水平镜面。
优选地，所述数字水准仪还包括：调焦透镜组；
所述调焦透镜组设置于所述物镜和所述分光镜之间。
优选地，所述数字水准仪还包括：补偿器；
所述补偿器设置于所述调焦透镜组和所述目镜之间。
相较于现有技术，本实用新型具有如下有益效果：
(1)本实用新型基于几何原理：分光镜相对于水平线的倾斜角度等于分光镜的透射光线(视准轴)相对于水平线(水准轴)的倾斜角度，也就是光学i角；故本实用新型通过倾角传感器检测分光镜相对于水平线的倾斜角度来自动测量光学i角，操作简便，减少了测量人员的工作量；
(2)本实用新型设置了显示屏，可即时采集并显示光学i角信息，无需人工读数，可避免人工读数引起的误差。
附图说明
图1是本实用新型数字水准仪的结构图；
图2是本实用新型数字水准仪的显示屏；
图3是一个实施例的光学i角测量原理图；
图4是本实用新型的倾角传感器测量原理图。
图中，1是物镜；2是调焦透镜组；3是微控制器；4是补偿器；5是CCD探测器；6是分光镜；7是倾角传感器；8是十字丝；9是目镜；10是显示屏；11是开关键；12是量测键；13是功能区。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本实用新型实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。
如图1所示，本实用新型公开的数字水准仪，包括：望远镜、分光镜6、CCD探测器5、倾角传感器7、微控制器3和显示屏10；
分光镜6设置于望远镜的物镜1的光轴上，用于将由物镜1射入的光线分散成透射光线和反射光线；
在一个实施例中，分光镜6为两个完全一样的直角三棱镜组成的复合棱镜。复合棱镜由两个直角三棱镜的斜边胶合或者光胶而成，在斜面镀上偏振分光膜，入射光中的P-偏振光透射，而S-偏振光被反射。所有的光束入射出射表面一般均镀制了增透膜。
斜镜面与物镜1的光轴的夹角为45°。
斜镜面与CCD探测器5的横向中轴线的夹角为45°。
复合棱镜的一个镜面为水平镜面；
倾角传感器7的横向中轴线平行于水平镜面。
CCD探测器5设置于反射光线的光路上；
倾角传感器7与分光镜6连接；
微控制器3的输入端分别与倾角传感器7和CCD探测器5连接；
微控制器3的输出端与显示屏10连接。
优选地，微控制器3型号为STM32L031G6U6 ARM或N32G455。在本实施例中，微控制器3用于水准仪内部各元件的数据收集、计算分析。
望远镜外壳上设有水准器，用于将水准仪调节水平。
优选地，望远镜的目镜9上设有十字丝8，十字丝8用作照准目标的参照基准。
如图2所示，可选地，显示屏10显示的数据包括距离(m)、高度(m)以及量测得到的光学i角度值(″)；
可选地，显示屏10还包括开关键11、量测键12和功能区13。其中开关键11控制水准仪的开机和关机。量测键12用于控制水准仪量测水准仪到水准尺的距离、高度和光学i角的按键；功能区13设置多个数字、方位以及菜单按键，可根据测量需要调整水准仪的测量范围及参数。
通常情况下，数字水准仪的视准轴和水准轴初始时刻是调整平行的，如果分光镜6发生倾斜，会导致视准轴发生倾斜，且根据几何关系可知：分光镜6的倾斜角度等于视准轴的倾斜角度。故本实用新型对分光镜6倾斜造成的光学i角误差进行检测。
本实用新型基于几何原理：分光镜6相对于水平线的倾斜角度等于分光镜6的透射光线(视准轴)相对于水平线(水准轴)的倾斜角度，也就是光学i角。倾角传感器7与分光镜6连接，当分光镜6发生倾斜时，带动倾角传感器7发生倾斜。故本实用新型通过倾角传感器7检测分光镜6相对于水平线的倾斜角度，进而测出光学i角，操作简便，可自动测量光学i角，减少测量人员的工作量。
为便于理解，如图3所示，在一个实施例中，分光镜6为两个直角三棱镜组合成的复合棱镜。分光镜6水平放置，故分光镜6水平镜面所在的直线S2与水准仪的水准轴线平行，根据几何关系，可认为观测者目视观测到的标尺条码影像线(视准轴)S1与水准轴线(即水平线)的夹角为本实用新型水准仪的光学i角。
进一步的，倾角传感器7的横向中轴线S3与分光镜6水平镜面所在的直线S2平行，也就是说，S1、S2、S3三条线相互平行。当分光镜6发生倾斜时，由于倾角传感器7与分光镜6连接，倾角传感器7也会发生倾斜，倾角传感器7可测出自身中轴线S3的倾斜程度，由几何关系可知，S1、S2、S3三条线的倾斜程度相等，故本实施例可测出S2相对于水平线的倾斜角度，即光学i角。
优选地，本实施例采用的倾角传感器7型号为YHQ-10。进一步地，倾角传感器7测得光学i角的情况下，其输出值仍然会有一定程度的小幅变化。这种现象称为零点漂移，引起零点漂移的原因有很多，比如倾角传感器7内敏感元件的特性随时间而变化、应力释放、元件老化、电荷泄露、环境温度变化等。其中，环境温度变化引起的零点漂移是最为常见的现象。倾角传感部件对震动也很敏感，水准仪被动的震动会影响测量结果。
本实用新型采用的倾角传感器7，内部采用高分辨力(差分)数字模拟转换器，内置自动温度补偿和滤波算法，可最大程度减小因外界环境变化引起的误差。
优选地，数字水准仪还包括：调焦透镜组2；
调焦透镜组2设置于物镜1和分光镜6之间，用于调节透镜组的焦距。
优选地，本实用新型数字水准仪还包括：补偿器4；补偿器4设置于调焦透镜组2和目镜9之间；用于在微小倾斜范围内自动整平望远镜视准轴的。
本实用新型数字水准仪进行高度差测量的原理如下：望远镜照准标尺并进行调焦后，标尺条码影像一方面被成像在望远镜十字丝8分划板上供观测者目视观测；另一方面又在分光镜6的作用下成像在光电探测器CCD上进行电子测量；形成电子测量数据的标尺条码影像在透过物镜1中心经补偿后被分光镜6转移到探测器CCD上，再经过一系列的光电转换和微处理器的运算后最终数据显示在电子屏幕上。
使用本实用新型检测光学i角的过程如下：水准仪安平好后，打开水准仪设备开关，内部的各测量元件开始工作，倾角传感器7把量测到的静态重力场的变化转换成倾角变化，通过数字方式或者模拟方式将该结果传送至水准仪内置的微控制器3，经过计算解析当前的倾角数值，最终传输至水准仪的显示器，此倾角即为所需检测的光学i角，提供给测量人员使用。
倾角传感器7是根据牛顿第二定律进行测量的，其测出的倾斜角度为倾角传感器7灵敏轴与重力作用线的夹角，而本实用新型需要测量的角度为倾角传感器7中轴线与水平线的夹角，基于直角坐标系下的角度转换关系，故需要使得倾角传感器7把量测到的静态重力场的变化转换成倾角变化。
在本实施例中，如图4所示，为倾角传感器7把量测到的静态重力场的变化转换成倾角变化的几何原理图，其中，S4为水平线，∠1为倾角传感器7中轴线与水平线的夹角，∠2为倾角传感器7灵敏轴与重力作用线的夹角，由图4可知，S1//S2//S3，∠1＝∠2。
相较于现有技术，本实用新型具有如下有益效果：
(1)本实用新型基于几何原理：分光镜相对于水平线的倾斜角度等于分光镜的透射光线(视准轴)相对于水平线(水准轴)的倾斜角度，也就是光学i角，通过倾角传感器检测分光镜相对于水平线的倾斜角度，故本实用新型操作简便，可自动测量光学i角，减少测量人员的工作量；
(2)本实用新型设置了显示屏，可即时采集并显示光学i角信息，无需人工读数，可避免人工读数引起的误差。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (7)
1.一种数字水准仪，其特征在于，包括：望远镜、分光镜、CCD探测器、倾角传感器、微控制器和显示屏；
所述分光镜设置于所述望远镜的物镜的光轴上，用于将由所述物镜射入的光线分散成透射光线和反射光线；
所述CCD探测器设置于所述反射光线的光路上；
所述倾角传感器与所述分光镜连接；
所述微控制器的输入端分别与所述倾角传感器和所述CCD探测器连接；
所述微控制器的输出端与所述显示屏连接。
2.根据权利要求1所述的数字水准仪，其特征在于，所述分光镜为两个完全一样的直角三棱镜组成的复合棱镜。
3.根据权利要求2所述的数字水准仪，其特征在于，所述两个直角三棱镜的斜镜面相互粘合；
所述斜镜面与所述物镜的光轴的夹角为45°。
4.根据权利要求3所述的数字水准仪，其特征在于，所述斜镜面与所述CCD探测器的横向中轴线的夹角为45°。
5.根据权利要求4所述的数字水准仪，其特征在于，所述复合棱镜的一个镜面为水平镜面；
所述倾角传感器的横向中轴线平行于所述水平镜面。
6.根据权利要求1所述的数字水准仪，其特征在于，还包括：调焦透镜组；
所述调焦透镜组设置于所述物镜和所述分光镜之间。
7.根据权利要求6所述的数字水准仪，其特征在于，还包括：补偿器；
所述补偿器设置于所述调焦透镜组和所述望远镜的目镜之间。
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2023
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