本發(fā)明屬于激光檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種兩點(diǎn)激光測量平面空間偏角的方法及裝置。

背景技術(shù)：

大型結(jié)構(gòu)體,例如建筑物、橋梁、鐵軌、重型機(jī)械設(shè)備等，在建筑和施工時(shí)，其某些平面的空間角度測量十分關(guān)鍵，是關(guān)系到質(zhì)量和安全等國計(jì)民生的重要課題。有些結(jié)構(gòu)體平面的偏角，例如建筑物外表面的豎直偏角，可利用經(jīng)緯儀在建筑物側(cè)面觀測其輪廓進(jìn)行測量，但有的結(jié)構(gòu)體平面正對(duì)觀測者，或側(cè)面無法觀測(例如建筑物內(nèi)凹的表面)，此時(shí)無法通過側(cè)面輪廓檢測得到該平面的空間偏角。另外，利用經(jīng)緯儀進(jìn)行側(cè)面輪廓檢測時(shí)只能得到一個(gè)方向的偏角，不能同時(shí)得到物體待測平面水平和豎直兩個(gè)方向的偏角。對(duì)此類問題，有以下三種測量方法：

一、在結(jié)構(gòu)體待測平面上固定平面鏡，將經(jīng)緯儀調(diào)整水平并瞄準(zhǔn)平面鏡，觀測經(jīng)緯儀十字分劃經(jīng)平面鏡反射回的像的水平和豎直偏角，即待測平面的水平和豎直偏角。但這種方法需要人工讀數(shù)，效率低下，容易出現(xiàn)讀數(shù)誤差，并且經(jīng)緯儀觀測范圍很小，一般不超過2'，略大一點(diǎn)的偏角則超出測量范圍，無法檢測；

二、三維激光掃描用于空間結(jié)構(gòu)的測繪，該方法為非接觸測量，對(duì)結(jié)構(gòu)本體無影響，精度高，所獲取的數(shù)據(jù)為結(jié)構(gòu)體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用后處理軟件可構(gòu)建三維模型。結(jié)合計(jì)算機(jī)編程，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可有效地用于結(jié)構(gòu)體垂直度分析，截面圖、立面圖、等值線圖繪制，以及變形監(jiān)測等工作中。但該方法成本很高，所獲取的數(shù)據(jù)需要后續(xù)處理，不能直接讀數(shù)，對(duì)使用人員的專業(yè)水平要求很高。在建筑、施工和大型結(jié)構(gòu)件檢測等領(lǐng)域無法得到實(shí)際應(yīng)用；

三、對(duì)連續(xù)待測面的空間偏角檢測，例如鐵軌表面空間偏角測量，可將激光器固定于鐵軌表面上，接收靶靠緊鐵軌表面，調(diào)整激光器使其光斑對(duì)準(zhǔn)接收靶靶面中心，沿著鐵軌表面移動(dòng)接收靶，不斷測量激光器到接收靶的距離，根據(jù)激光光斑的偏移量計(jì)算鐵軌表面的空間偏角，這種方法雖然易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但必須測距，另外即便進(jìn)行測距也無法確定空間偏角的方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是解決上述大型結(jié)構(gòu)體待測平面的空間偏角(水平角和豎直角)測量中現(xiàn)有方法的復(fù)雜、低效和不便利性，具有自動(dòng)化程度高、測量范圍大、效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種兩點(diǎn)激光測量平面空間偏角的方法，是利用兩個(gè)平行且位置關(guān)系已知的激光光束在靶面形成兩個(gè)光斑，上述激光光束垂直于待測平面，使兩個(gè)激光光束中心的連線與水平面夾角呈銳角或鈍角；

靶面垂直方向設(shè)置，探測激光光斑，計(jì)算激光光斑的中心坐標(biāo)，計(jì)算激光光斑中心的水平和垂直距離，并與已知的激光光束中心的水平和垂直距離進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算待測平面的空間偏角；

改變靶面的空間角度，上述靶面繞垂直軸和水平軸分別旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，再分別計(jì)算激光光斑中心的水平和垂直距離，對(duì)比旋轉(zhuǎn)前后兩組的計(jì)算結(jié)果，得到待測平面的空間偏角方向。

上述方法的具體操作如下：

1)將兩個(gè)激光器與待測平面的位置相對(duì)固定，使發(fā)出的激光光束相互平行且與待測平面垂直，兩個(gè)激光器中心連線與水平面呈一個(gè)銳角或鈍角排布，準(zhǔn)確測量得到兩個(gè)激光器光軸中心的水平距離s1和垂直距離s2；

2)打開激光器，在激光器一定距離處放置探測器，在靶面上形成光斑；

3)調(diào)節(jié)靶面，使其相對(duì)水平面垂直設(shè)置；

4)控制激光器開關(guān)使兩個(gè)激光器受控亮、滅；

5)根據(jù)激光光斑的中心坐標(biāo)計(jì)算兩個(gè)激光光斑中心的水平距離l1和垂直距離l2，就可以計(jì)算得出待測平面的空間偏角；

6)使靶面繞水平軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，再次計(jì)算兩個(gè)光斑的垂直距離l2，計(jì)算結(jié)束后使靶面復(fù)位，就可以計(jì)算得出待測平面的空間豎直偏角方向；

7)使靶面繞垂直軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，再次計(jì)算兩個(gè)光斑的水平距離l1，計(jì)算結(jié)束后使靶面復(fù)位，就可以計(jì)算得出待測平面的空間水平偏角方向。

上述待測平面的空間偏角大小及方向的計(jì)算方法是：

上述激光光束與待測平面垂直，待測平面的豎直偏角計(jì)算為水平偏角為比較l2和l2的大小確定豎直偏角

的方向，比較l1和l1的大小確定水平偏角的方向。

一種可測量平面空間偏角的裝置，包括激光器組件和探測器，

所述激光器組件包含兩個(gè)激光器和安裝座，兩個(gè)激光器固定于安裝座內(nèi)，兩個(gè)激光器發(fā)出的激光光束相互平行；

所述安裝座旋轉(zhuǎn)設(shè)置于基準(zhǔn)座中；

所述基準(zhǔn)座上設(shè)置有基準(zhǔn)面，兩個(gè)激光器發(fā)出的激光光束與基準(zhǔn)面垂直；

所述探測器包括靶面、光學(xué)鏡頭、光電傳感器和處理電路，光學(xué)鏡頭的探測光軸垂直于靶面設(shè)置，光電傳感器設(shè)置于光學(xué)鏡頭后側(cè)，靶面的幾何中心與光學(xué)鏡頭、光電傳感器的光軸重合，所述光電傳感器與處理電路連接。

上述光電傳感器為ccd或cmos圖像傳感器。

上述管水準(zhǔn)器設(shè)置于安裝座上。以方便指示水平方向。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：

1)解決了經(jīng)緯儀測量平面空間偏角時(shí)的主觀判斷誤差，采用自動(dòng)測量、數(shù)字顯示的方法，直觀地給出待測平面空間偏角，測量效率高；

2)解決了經(jīng)緯儀測量范圍小的缺點(diǎn)，可增大靶面尺寸在測量距離不變時(shí)增大測量范圍；

3)能夠同時(shí)計(jì)算待測平面空間偏角的大小和方向；

4)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，數(shù)據(jù)處理簡單。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基準(zhǔn)座結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的a向視圖；

圖3為本發(fā)明探測器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3的a向視圖；

圖5為實(shí)施例1激光器的排布方式示意圖；

圖6為本發(fā)明空間偏角測量方法示意圖；

圖7為安裝基準(zhǔn)面131緊貼待測平面時(shí)豎直角的計(jì)算示意圖；

圖8為安裝基準(zhǔn)面131緊貼待測平面時(shí)水平角的計(jì)算示意圖。

其中：

1—基準(zhǔn)座2—探測器

11—安裝座12—激光控制器

21—靶面22—光學(xué)鏡頭

23—光電傳感器24—處理電路

25—水平調(diào)整旋鈕26—豎直角度調(diào)節(jié)裝置

27—水平角度調(diào)節(jié)裝置28—探測器底座

111—第一激光器112—第二激光器

113—管水準(zhǔn)器131—基準(zhǔn)面

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種兩點(diǎn)激光測量平面空間偏角的方法，是利用兩個(gè)平行且位置關(guān)系已知的激光光束在靶面形成兩個(gè)光斑，上述激光光束垂直于待測平面，使兩個(gè)激光光束中心的連線與水平面呈一個(gè)銳角或鈍角；

靶面垂直方向設(shè)置，探測激光光斑，計(jì)算激光光斑的中心坐標(biāo)，計(jì)算激光光斑中心的水平和垂直距離，并與已知的激光光束中心的水平和垂直距離進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算待測平面的空間偏角；

改變靶面的空間角度，上述靶面繞垂直軸和水平軸分別旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，再分別計(jì)算激光光斑中心的水平和垂直距離，對(duì)比旋轉(zhuǎn)前后兩組的計(jì)算結(jié)果，得到待測平面的空間偏角方向。

參見圖1-圖4，為了實(shí)現(xiàn)上述方法，本發(fā)明提供了一種可測量平面空間偏角的裝置：包括激光器組件和探測器，

所述激光器組件包含兩個(gè)激光器和安裝座，兩個(gè)激光器固定于安裝座內(nèi)，兩個(gè)激光器發(fā)出的激光光束相互平行；

所述安裝座旋轉(zhuǎn)設(shè)置于基準(zhǔn)座中；

所述基準(zhǔn)座上設(shè)置有基準(zhǔn)面，兩個(gè)激光器發(fā)出的激光光束與基準(zhǔn)面垂直；

所述探測器包括靶面、光學(xué)鏡頭、光電傳感器和處理電路，光學(xué)鏡頭的探測光軸垂直于靶面設(shè)置，光電傳感器設(shè)置于光學(xué)鏡頭后側(cè)，靶面的幾何中心與光學(xué)鏡頭、光電傳感器的光軸重合，所述光電傳感器與處理電路連接。

上述光電傳感器為ccd或cmos圖像傳感器。

上述管水準(zhǔn)器設(shè)置于安裝座上。以方便指示水平方向。

激光器組件上的兩個(gè)激光器111和112與激光控制器12連接，激光控制器12控制兩個(gè)激光器的亮、滅，以便明確光斑所對(duì)應(yīng)的激光器，可采用51單片機(jī)控制繼電器的通、斷實(shí)現(xiàn)。

安裝座11可在基準(zhǔn)座1中旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)很多，例如在安裝座11后部有一段與基準(zhǔn)座1內(nèi)設(shè)置的連接孔精密配合的連接軸，達(dá)到激光器組件自由旋轉(zhuǎn)的目的。

管水準(zhǔn)器113位于安裝座11上，其水泡通過指示水平方向來進(jìn)行第一激光器111和第二激光器112中心連線與水平面所呈角度的設(shè)置。

所述靶面21通過探測器2上的調(diào)整機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)與水平面的垂直設(shè)置和空間角度的改變，可以包括水平調(diào)整旋鈕25、豎直角度調(diào)節(jié)裝置26、水平角度調(diào)節(jié)裝置27和探測器底座28組成。

所述靶面21的尺寸可通過調(diào)整光學(xué)鏡頭22到靶面21的距離和光學(xué)鏡頭的參數(shù)增大或縮小；

所述靶面21與探測器底座上表面垂直，水平調(diào)整旋鈕25調(diào)整探測器底座上表面水平；

所述豎直角度調(diào)節(jié)裝置26可使靶面21的豎直角沿一個(gè)方向改變一個(gè)角度并可復(fù)位；

所述水平角度調(diào)節(jié)裝置27可使靶面21的水平角沿一個(gè)方向改變一個(gè)角度并可復(fù)位。

以下通過具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地描述：

實(shí)施例1：

參見圖5和圖6。一種可測量平面空間偏角的裝置，包括第一激光器111和第二激光器112和安裝座11，上述兩激光器光軸中心連線與安裝座11上表面呈45°夾角。

一種兩點(diǎn)激光測量平面空間偏角的方法：

1)將激光器組件固定于待測平面上，使基準(zhǔn)座的基準(zhǔn)面131緊貼待測平面，這樣兩個(gè)激光器發(fā)出的激光光束平行且與待測平面垂直；

2)調(diào)整安裝座11，使管水準(zhǔn)器水泡居中，在本實(shí)施例中使安裝座11上表面水平設(shè)置，第一激光器111和第二激光器112之間的連線與水平面呈45°設(shè)置，第一激光器111和第二激光器112的水平距離s1和垂直距離s2在激光器安裝后實(shí)際測量獲得，將激光對(duì)準(zhǔn)靶面21；

3)控制激光控制器12使激光器打開，在激光器組件一定距離處放置探測器2，使兩束激光形成的光斑均呈現(xiàn)在靶面21上；

4)調(diào)節(jié)水平調(diào)整旋鈕25使探測器底座28上表面水平，確保靶面垂直設(shè)置；

5)控制激光控制器12使多個(gè)激光器按要求亮、滅；

6)第一激光器111在靶面21上形成的光斑為p1，第二激光器112在靶面21上形成的光斑為p2，即可根據(jù)坐標(biāo)計(jì)算光斑p1和p2的水平距離l1和垂直距離l2；

7)使靶面21繞水平軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)順時(shí)針的豎直角度，再次計(jì)算光斑p1到p2的垂直距離l2，計(jì)算結(jié)束后使靶面21復(fù)位；

8)使靶面21繞垂直軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)順時(shí)針的水平角度，再次計(jì)算光斑p1到p2的水平距離l1，計(jì)算結(jié)束后使靶面21復(fù)位；

9)靶面21的幾何中心為計(jì)算光斑中心的坐標(biāo)系原點(diǎn)，光電傳感器23獲取激光光斑圖像信息并傳送給處理電路24，處理電路24計(jì)算光斑中心坐標(biāo)，進(jìn)一步計(jì)算待測平面空間偏角，處理電路通過顯示模塊直觀地顯示出待測平面的空間偏角數(shù)值和方向。

參見圖7和圖8。本實(shí)施例中，兩個(gè)激光光束與待測平面垂直，待測平面的豎直偏角計(jì)算為水平偏角為當(dāng)l2＞l2時(shí)，待測平面的豎直偏角為逆時(shí)針方向，當(dāng)l2＜l2時(shí)，待測平面的豎直偏角為順時(shí)針方向，當(dāng)l1＞l1時(shí)，待測平面的水平偏角為逆時(shí)針方向，當(dāng)l1＜l1時(shí)，待測平面的水平偏角為順時(shí)針方向。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處還在于使靶面21繞水平軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)逆時(shí)針的豎直角度，再次計(jì)算光斑p1到p2的垂直距離l2，計(jì)算結(jié)束后使靶面21復(fù)位；使靶面21繞垂直軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)逆時(shí)針的水平角度，再次計(jì)算光斑p1、p2的水平距離l1，計(jì)算結(jié)束后使靶面21復(fù)位；

本實(shí)施例中，當(dāng)l2＞l2時(shí)，待測平面的豎直偏角為順時(shí)針方向，當(dāng)l2＜l2時(shí)，待測平面的豎直偏角為逆時(shí)針方向，當(dāng)l1＞l1時(shí)，待測平面的水平偏角為順時(shí)針方向，當(dāng)l1＜l1時(shí)，待測平面的水平偏角為逆時(shí)針方向。