一种自校准的双工位激光水平测高仪

摘要

本发明提供了一种自校准的双工位激光水平测高仪，包括基座、可调节座脚、下横梁、中横梁、上横梁、竖直刻度尺、水平激光测距仪、竖直激光发射器、45度半透半反镜、45度反射镜、吊拉环、重心调节块、下横梁驱动机构和中横梁驱动机构；水平激光测距仪与45度半透半反镜均固定安装在下横梁上，45度反射镜通过角度旋转机构安装在中横梁上，下横梁和中横梁上均设置有透射孔，基座上设置有靶心；竖直激光发射器、透射孔和靶心的空间位置应使得竖直激光发射器自然下垂时输出的激光束，依次穿过两个透射孔落在靶心上。本发明可以根据被测物体的尺寸灵活选择放大距离，使得其对测量距离和被测物体高度无限制，可以兼顾地理测高和物体测高，一机多用。

说明书

技术领域

本发明属于激光测量领域，具体涉及一种自校准的双工位激光水平测 高仪。

背景技术

国民经济生产中对于高度的测量需求很多，大到地质勘测、建筑物高 度测量或者山脉相对高度测量，可以称为地理测高；小到身高检测、机械 零件尺寸检验等，可以称为物体测高。

关于高度的测量方法或者仪器已经有很多，在一些建设项目的工地上， 技术人员进行地理测高工作所使用的仪器是经纬仪。经纬仪由望远镜、水 平度盘、竖直度盘、水准器、基座等组成。测量时，将经纬仪安置在三脚 架上，用垂球或光学对点器将仪器中心对准地面测站点上，用水准器将仪 器定平，用望远镜瞄准测量目标，用水平度盘和竖直度盘测定水平角和竖 直角。

进行物体测高主要是高度尺，是放置于平台上进行单轴测量的仪器， 理想的情况是花岗石平台。还有一种是基于三角测量原理的激光测距仪， 通过对相关倾角以及辅助距离值的测量间接实现对目标高度的测量。申请 号为201010256289.5的专利通过测高仪上的角度计测量观察被测物体最高 点时的仰角，然后测量被测物体最高点到观测点的水平距离，从而通过三 角关系实现高度测量。

综合以上所述的测高仪器和方法，存在如下不足：

1、由于测量原理不同、量程不同、测量精度等级不同，现有的测高仪 器都是专用设备，不能兼顾地理测高和物体测高。

2、现有的测高仪器，测量精度依赖于测量基准面的水平度，测量仪器 需要摆放在稳定、平整的基准表面上，并且水平度的测量一般依靠自带或 外部的气泡水平仪，水平检测精度不高，调节不方便。

3、现有的测高仪器，对于凹模、型腔等零件上槽、孔等特征部位的高 度，由于探头难以伸入，无法测量。

4、经纬仪的测量过程需要多人协作，操作复杂；高度尺的测量过程是 接触式测量，与操作者的经验关系很大，测量结果的重复性较差。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种操作简单方便的自校准 的双工位激光水平测高仪；该自校准的双工位激光水平测高仪通过光电对 准和磁性铅锤机构，使得自身的水平度调节十分方便、精确可靠；对被测 物体尺寸无限制，可以兼顾地理测高和物体测高，并且可以测量各种槽、 孔等常规水平测高仪无法测量的部位；由于其基于光学测量原理，单人即 可操作，可在各种光线环境下测量，测量精度比现有水平测高仪更高。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种自校准的双工位激光水平测高仪，包括基座、多个可调节座脚、 下横梁、中横梁、上横梁、竖直刻度尺、水平激光测距仪、竖直激光发射 器、45度半透半反镜、45度反射镜、吊拉环、重心调节块、下横梁驱动机 构和中横梁驱动机构；

所述基座的上、下表面均与水平面平行，多个可调节座脚固定安装在 基座的下表面，用于调节基座的高度和水平度；

所述重心调节块通过磁性吸力与基座的下表面相连，重心调节块与基 座的相对位置可任意手动或自动调节；

所述竖直刻度尺竖直安装在基座上，其上标有刻度，用于测量下横梁 与中横梁相对于基座上表面的高度差；

所述下横梁与中横梁均为水平设置，亦即与竖直重力方向垂直，所述 下横梁通过下横梁驱动机构安装在基座上，并可由下横梁驱动机构驱动做 竖直方向的上下运动；所述中横梁通过中横梁驱动机构安装在基座上，并 可由中横梁驱动机构驱动做竖直方向的上下运动；

所述水平激光测距仪与45度半透半反镜均固定安装在下横梁上，其安 装方位应使得水平激光测距仪发射的激光束沿水平方向入射到45度半透半 反镜，经过45度半透半反镜的转折之后，垂直进入45度反射镜；所述45 度反射镜通过一角度旋转机构安装在中横梁上，所述角度旋转机构使得45 度反射镜的镜面与水平面的夹角可在度到度的范围内调节；

所述水平激光测距仪发射的水平反向的激光束一部分经45度半透半反 镜反射，另一部分经45度半透半反镜透射；反射激光束垂直入射到45度 反射镜，经45度反射镜转折后，输出至目标测量点；透射激光束水平入射 到待测物体上；

所述上横梁支撑安装在基座上，并位于中横梁的上方，所述吊拉环固 定连接在上横梁的上表面，用于悬挂测量时使用；所述竖直激光发射器通 过柔性挂绳连接在上横梁的内表面；所述下横梁和中横梁上均设置有透射 孔，基座的上表面设置有靶心；所述竖直激光发射器、透射孔和靶心的空 间位置应使得竖直激光发射器自然竖直下垂时输出的激光束，依次穿过两 个透射孔并落在基座的靶心上。

优选的，所述下横梁驱动机构和中横梁驱动机构分别设置在基座的两 侧；

所述下横梁驱动机构包括第一导柱、第一摇杆、第一蜗轮、第一蜗杆、 第一丝杠和第一丝杠滑块，所述中横梁驱动机构包括第二导柱、第二摇杆、 第二蜗轮、第二蜗杆、第二丝杠和第一丝杠滑块；

第一导柱竖直安装在基座的左侧，第二导柱竖直安装在基座的右侧； 所述下横梁的左右两侧分别与两个下滑块紧固连接，两个下滑块分别可滑 移的安装在第一导柱和第二导柱上；所述中横梁的左右两侧分别与两个上 滑块紧固连接，两个上滑块分别可滑移的安装在第一导柱和第二导柱上；

第一摇杆与第一蜗杆连接，用于驱动第一蜗杆做旋转运动；所述第一 蜗轮与第一蜗杆组成蜗轮蜗杆传动机构，所述第一蜗轮套装在第一丝杠的 一端，与第一丝杠联动，第一丝杠滑块旋入第一丝杠；第一丝杠滑块与左 侧的下滑块固定连接在一起，左侧的上滑块内部设置有一通孔，第一丝杠 穿过左侧的上滑块上的通孔后，通过轴承安装在第一导柱上；

第二摇杆与第二蜗杆连接，用于驱动第二蜗杆做旋转运动；所述第二 蜗轮与第二蜗杆组成蜗轮蜗杆传动机构，所述第二蜗轮套装在第二丝杠的 二端，与第二丝杠联动；第二丝杠滑块旋入第二丝杠；第二丝杠滑块与右 侧的上滑块固定连接在一起，右侧的下滑块内部设置有一通孔，第二丝杠 穿过右侧的下滑块上的通孔，并通过轴承安装在第二导柱上。

优选的，所述角度旋转机构包括固定板、旋转架、数显角度尺、弧形 滑槽、滑柱和锁紧件，所述固定板和弧形滑槽均固定安装在中横梁上，所 述45度反射镜安装在旋转架上；

所述旋转架通过铰接方式与固定板相连，使得旋转架可绕铰接点转动， 其转动中心轴线与水平面平行；所述数显角度尺安装在固定板与旋转架之 间，用于测量并显示所述旋转架的转角；

所述滑柱固定安装在旋转架的侧面上端，并穿过弧形滑槽，与锁紧件 相连；所述弧形滑槽的安装位置和滑槽长度应使得45度反射镜的镜面与水 平面的夹角能够在度到度的范围内调节。

优选的，所述基座的下表面安装有磁性板，重心调节块上固定连接有 一磁性块，通过磁性板与磁性块的吸力实现重心调节块与基座的连接。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明所述的自校准的双工位激光水平测高仪，采用了方向性和集 中性极好(发散角极小)的激光束作为测量探头，以及角度尺在长距离情 况下对角边长的放大作用，可以根据被测物体的尺寸灵活选择放大距离， 使得其对测量距离和被测物体高度无限制，可以兼顾地理测高和物体测高， 一机多用。

2、本发明所述的自校准的双工位激光水平测高仪，自带基于光电对准 原理的水平度检测机构，同时具有磁性铅锤水平调节(悬挂式测量时使用) 和可调地脚水平调节(地面摆放式测量时使用)两种调节方式和机构，其 根据竖直激光发射器发出的激光束依次穿过两个透射小孔并落在基座上的 靶心上，即是为水平已经调好，该方法利用了重力方向作为绝对标尺，比 传统气泡水平仪的更为精确。

3、本发明所述的自校准的双工位激光水平测高仪，利用无机械接触的 激光束作为测量探头，光束可达即可测，因而可以测量各种槽、孔等常规 水平测高仪无法测量的部位。

4、本发明支持两种使用方式：一是水平摆放使用，调节四个座脚使得 装置水平；另一种是竖直悬挂使用，用挂钩勾住吊拉环，调节基座底下的 重心调节块的位置使得装置水平。可以根据测试场地空间限制条件、基准 水平面限制条件灵活选用任意一种，实用性很强。

5、本发明基于自发光的可见激光束进行测量，对环境光线无要求，适 用于黑暗、明亮、特种颜色灯光等各种测试环境，只需根据需要选择合适 测量激光束波长(颜色)即可，适用性十分广泛。

6、本发明所述的自校准的双工位激光水平测高仪，单人即可操作，无 须协作，非接触式测量的重复性好。

7、本发明结构简单、拆装方便、易于维护，并且小巧轻便，易于携带。

附图说明

图1为本发明所述自校准的双工位激光水平测高仪的原理图；

图2为本发明所述自校准的双工位激光水平测高仪的一种优选结构图；

图3为下横梁驱动机构与中横梁驱动机构的结构图一；

图4为下横梁驱动机构与中横梁驱动机构的结构图二；

图5为角度旋转机构的结构图；

图6为测量原理图；

图中各标号的含义如下：

基座1、可调节座脚2、下横梁3、中横梁4、上横梁5、竖直刻度尺6、 水平激光测距仪7、竖直激光发射器8、45度半透半反镜9、45度反射镜 10、吊拉环11、重心调节块12、下横梁驱动机构13、中横梁驱动机构14、 透射孔15、靶心16、磁性块17、柔性挂绳18、激光束20、固定板21、旋 转架22、弧形滑槽24、滑柱25、锁紧件26、第一导柱31、第一摇杆32、 第一蜗轮33、第一蜗杆34、第一丝杠35、第一丝杠滑块36、下滑块37、 第二导柱41、第二摇杆42、第二蜗轮43、第二蜗杆44、第二丝杠45、第 一丝杠滑块46、上滑块47。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1-5所示，本发明提供了一种自校准的双工位激光水平测高仪，包 括基座1、多个可调节座脚2、下横梁3、中横梁4、上横梁5、竖直刻度尺 6、水平激光测距仪7、竖直激光发射器8、45度半透半反镜9、45度反射 镜10、吊拉环11、重心调节块12、下横梁驱动机构13和中横梁驱动机构 14：

所述基座1的上、下表面均与水平面平行，多个可调节座脚2固定安 装在基座1的下表面，用于调节基座1的高度和水平度；

所述重心调节块12通过磁性吸力与基座1的下表面相连，重心调节块 12与基座1的相对位置可任意手动或自动调节；本实施例中采用的结构为： 所述基座1的下表面安装有磁性板，重心调节块12上固定连接有一磁性块 17，通过磁性板与磁性块17的吸力实现重心调节块12与基座1的连接。 当然还可以采用其他结构，比如基座下表面上安装有磁铁平板，重心调节 块为有磁性材料；或者基座本身材料为有磁性材料，重心调节块为磁铁。

所述竖直刻度尺6竖直安装在基座1上，其上标有刻度，用于测量下 横梁3与中横梁4相对于基座1上表面的高度差；

所述下横梁3与中横梁4均为水平设置，亦即与竖直重力方向垂直， 所述下横梁3通过下横梁驱动机构13安装在基座1上，并可由下横梁驱动 机构13驱动做竖直重力方向的上下运动；所述中横梁4通过中横梁驱动机 构14安装在基座1上，并可由中横梁驱动机构14驱动做竖直重力方向的 上下运动；

所述水平激光测距仪7与45度半透半反镜9均固定安装在下横梁3上， 其安装方位应使得水平激光测距仪7发射的激光束20沿水平方向入射到45 度半透半反镜9，经过45度半透半反镜9的转折之后，垂直向上沿竖直重 力方向入射进入45度反射镜10；所述45度反射镜10通过一角度旋转机构 安装在中横梁4上，所述角度旋转机构使得45度反射镜10的镜面与水平 面的夹角可在45度到90度的范围内调节；

所述水平激光测距仪7发射的水平反向的激光束20一部分经45度半 透半反镜9反射，另一部分经45度半透半反镜9透射；反射激光束垂直入 射到45度反射镜10，经45度反射镜10转折后，输出至目标测量点；透射 激光束水平入射到待测物体上；

所述上横梁5支撑安装在基座1上，并位于中横梁4的上方，所述吊 拉环11固定连接在上横梁5的上表面，用于悬挂测量时使用；所述竖直激 光发射器8通过柔性挂绳18连接在上横梁5的内表面；所述下横梁3和中 横梁4上均设置有透射孔15，基座1的上表面设置有靶心16；所述竖直激 光发射器8、透射孔15和靶心16的空间位置应使得竖直激光发射器8自然 竖直下垂时输出的激光束，沿竖直重力方向行进，依次穿过两个透射孔15 并落在基座1的靶心16上。

所述下横梁驱动机构13和中横梁驱动机构14分别设置在基座1的两 侧，他们的一种优选结构为：所述下横梁驱动机构13包括第一导柱31、第 一摇杆32、第一蜗轮33、第一蜗杆34、第一丝杠35和第一丝杠滑块36， 所述中横梁驱动机构14包括第二导柱41、第二摇杆42、第二蜗轮43、第 二蜗杆44、第二丝杠45和第一丝杠滑块46。

第一导柱31竖直安装在基座1的左侧，第二导柱41竖直安装在基座1 的右侧。所述下横梁3的左右两侧分别与两个下滑块37紧固连接，两个下 滑块37分别可滑移的安装在第一导柱31和第二导柱41上。所述中横梁4 的左右两侧分别与两个上滑块47紧固连接，两个上滑块47分别可滑移的 安装在第一导柱31和第二导柱41上。

第一摇杆32与第一蜗杆34连接，用于驱动第一蜗杆34做旋转运动； 所述第一蜗轮33与第一蜗杆34组成蜗轮蜗杆传动机构，所述第一蜗轮33 套装在第一丝杠35的一端，与第一丝杠35联动，第一丝杠滑块36旋入第 一丝杠35。第一丝杠滑块36与左侧的下滑块37固定连接在一起，左侧的 上滑块47内部设置有一通孔，第一丝杠35穿过左侧的上滑块47上的通孔 后，通过轴承安装在第一导柱31上。

第二摇杆42与第二蜗杆44连接，用于驱动第二蜗杆44做旋转运动； 所述第二蜗轮43与第二蜗杆44组成蜗轮蜗杆传动机构，所述第二蜗轮43 套装在第二丝杠45的二端，与第二丝杠45联动；第二丝杠滑块46旋入第 二丝杠45。第二丝杠滑块46与右侧的上滑块47固定连接在一起，右侧的 下滑块37内部设置有一通孔，第二丝杠45穿过右侧的下滑块37上的通孔， 并通过轴承安装在第二导柱41上。

所述角度旋转机构的一种优选结构为：包括固定板21、旋转架22、数 显角度尺23、弧形滑槽24、滑柱25和锁紧件26，所述固定板21和弧形滑 槽24均固定安装在中横梁4上，所述45度反射镜10安装在旋转架22上；

所述旋转架22通过铰接方式与固定板21相连，使得旋转架22可绕铰 接点转动，其转动中心轴线与水平面平行；所述数显角度尺安装在固定板 21与旋转架22之间，用于测量并显示所述旋转架22的转角；

所述滑柱25固定安装在旋转架22的侧面上端，并穿过弧形滑槽24， 与锁紧件26相连；所述弧形滑槽24的安装位置和滑槽长度应使得45度反 射镜10的镜面与水平面的夹角能够在45度到90度的范围内调节。

采用上述自校准的双工位激光水平测高仪进行高度测量的步骤包括如 下两个步骤：

第一步，自校准的双工位激光水平测高仪的安放，具体如下：

根据测量环境和测量条件情况，有两种安放方式。

方式一，如果测量空间许可，并且存在较好的基准平面，可以将自校 准的双工位激光水平测高仪安放在基准平面上，调节多个可调节座脚2，使 得调节基座1的高度合适(水平激光测距仪7发射的测量激光束正好水平 入射到被测对象上的待测基准点，即图6中的C点)，并且使得自校准的双 工位激光水平测高仪的水平度满足测量精度要求，即竖直激光发射器8自 然竖直下垂时输出的激光束，沿竖直重力方向行进，依次穿过两个透射孔 15并落在基座1的靶心16上；

方式二，如果不存在较好的基准平面，则可以将自校准的双工位激光 水平测高仪用柔性绳子穿过吊拉环11悬挂固定在外部稳定结构体上，然后 调节柔性绳子的长度和移动重心调节块12与基座1的相对位置，使得调节 基座1的高度合适(水平激光测距仪7发射的测量激光束正好水平入射到 被测对象上的待测基准点，即图6中的C点)，并且使得自校准的双工位激 光水平测高仪的水平度满足测量精度要求，即竖直激光发射器8自然竖直 下垂时输出的激光束，沿竖直重力方向行进，依次穿过两个透射孔15并落 在基座1的靶心16上。

第二步，测量与计算，具体如下：

开启水平激光测距仪7，水平激光测距仪7发射出测量激光束，并记录 其发射时间t1，测量激光束由E点沿水平方向入射到45度半透半反镜9上 的D点，在此激光束将分为两束即透射激光束和反射激光束，其中透射激 光束水平入射到被测对象上的C点，假设C点处非镜面(实际的被测对象 一般不具有镜面反射特征)，那么由几何光学和物理光学知识可知，被测对 象C点处散射的回束光线总有一定比例将沿原路返回，并由水平激光测距 仪7的光电探测元件接收，记录其接收时间t2；同时，D点处的反射激光 束将转折90度方向射入到45度反射镜10的B点处，根据预先调节的中横 梁4的竖直位置以及45度反射镜10的角度(如图6所示，标记45度反射 镜10的中心轴线与水平激光测距仪7发射的激光束之间的纵向距离为H1， 45度反射镜10的出光方向与水平面之间的夹角为alpha)，可以使得由B点 反射的激光束正好到达目标测量点A处，假设A点处非镜面(实际的被测 对象一般不具有镜面反射特征)，那么由几何光学和物理光学知识可知，被 测对象A点处散射的回束光线总有一定比例将沿原路返回，并由水平激光 测距仪7的光电探测元件接收，记录其接收时间t3。

设光速为Vc，AB之间距离为L3，CD之间距离为L1，DE之间距离为 d(亦即水平激光测距仪7与45度半透半反镜9之间的距离，根据二者安 装方位关系，d是预设的已知数值)，根据光程计算公式，有如下关系式成 立：

L3＝Vc*(t3-t1)-H-d

L1＝Vc*(t2-t1)-d

那么，被测对象的高度值H(亦即AC点的垂直距离)的计算有如下两 种方式：

方式一，如果被测对象的横向尺寸(亦即AC点的水平距离)L2采用 其他方式测量已知(符合大多数物体测高情形)，则H的计算公式为：

H＝H1+H2＝H1+L*tg(alpha)＝H1+(L1+L2)*tg(alpha)

方式二，如果被测对象的横向尺寸(亦即AC点的水平距离)L2难以测 量(符合大多数地理测高情形)，则H的计算公式为：

H＝H1+H2＝H1+L3*sin(alpha)

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的 改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易 见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。