快速精确自动安平的水平仪的制作方法

专利名称：快速精确自动安平的水平仪的制作方法
快速精确自动安平的水平仪技术领域：
本发明涉及一种自动安平的水平仪，该水平仪能够快速精确的将平 面调整为水平面，尤其为测绘(水准仪、经纬仪、全站仪等的整平)、建筑、装饰、装潢、机械 安装、仪器安放等领域确定水平面而使用。背景技术：
在建筑、装饰、装璜、设备安装、仪器安置等领域都需要在作业过程中 确定水平基准、铅垂基准或其它的参考基准，而目前使用的各种测量用的水准仪、经纬仪及 各种激光基准工具都需要人工调平基准，人工调平的通用做法是利用安装在仪器上的水准 器和安装在仪器底部的三个脚螺旋互相配合来实现。水准器有圆水准器和管水准器两种， 操作者一边观察水准器中的气泡位置，一边旋转相应的调节旋钮，并最终使管水准器中的 气泡居于两刻线中间或使圆水准器中的气泡居于水准器的中间而实现调平。采用这种人工 调平方式使用中很不方便，不仅需要多次反复调节，而且对气泡位置的观察还存在视角与 人为误差，容易引起误测，同时还要求操作者必须非常耐心与熟练，特别是在野外作业中， 调平过程相对费时费力且易导致误差，导致整个测量过程效率低。
发明内容本发明目的是解决现有人工调平方法依据气泡来判别水平与否速度 慢且难以与电路相连，所以很难依靠气泡来实现自动化的问题，提供一种快速精确自动安 平的水平仪，以实现整平的快速化，精确化以及自动化。 本发明依据光的直线传播原理和重力作用来判断给定的轴是否竖直，当此轴竖直 时，便知与此轴垂直的平面为水平面。 由于光的传播可以通过光敏元件来发射和接收。比如发光二极管、三极管是发光 设备，而光敏二极管是接收设备，光的变化可以转换成电流的变化，这样，就避免了因气泡 无法转换成电信号，从而也就无法实现自动化的弊端，为仪器整平的自动化提供了可靠且 可行的方法和平台。 本发明提供的快速精确自动安平的水平仪，一种快速精确自动安平的水平仪，包 括底座一至底座五，底座一与底座二间安装有三个伸縮螺旋脚，底座二的上方通过连接柱 固定安装有底座三，底座三的上方通过连接柱固定安装有底座四，底座三和底座四下方以 等长的交叉活节吊丝或活节四边形吊丝各悬吊一个反射镜或折射透镜，底座三和底座四下 方的吊丝可以相同也可以不同，同样，底座三和底座四下方所悬吊的反射镜或折射透镜既 可以相同也可以不同。当底座三和底座四下方悬吊的是反射镜时，激光发射器和与其对应 的由CCD线阵构成的光信号接收器安装在反射镜上方或下方同一个底座上，即若反射面在 反射镜的下底面，则底座二和底座三的上表面各安装有一个激光发射器和一条由CCD线阵 构成的光信号接收器，CCD线阵上的感光元件的中心排列成一条直线，激光发射器安装在 底座二和底座三的上表面中心，激光发射器发射的激光束分别垂直底座二和底座三向上发 射；若反射面在反射镜的上顶面，则激光发射器和由CCD线阵构成的光信号接收器均安装 在底座三和底座四的下表面，激光发射器发射的激光束分别垂直底座三和底座四向下发 射。当悬吊折射透镜时，激光发射器和与其对应的由CCD线阵构成的光信号接收器分别安 装在折射透镜上方和下方不同侧的底座上，即当激光发射器安装在底座二和底座三的上表 面时，与其对应的由CCD线阵构成的光信号接收器分别安装在底座三和底座四的下表面，当激光发射器安装在底座三和底座四的下表面时，则与其对应的由CCD线阵构成的光信号 接收器分别安装在底座二和底座三的上表面。其中一个CCD线阵为X轴，另一个CCD线阵 位为Y轴，X轴与Y轴相互垂直；底座四的上方通过中心连接轴安装有底座五，底座五上设 有连接螺孔，用于放置仪器，底座二 、底座三、底座四与底座五均两两相互平行。
底座三和底座四下方悬吊的反射镜或折射透镜为长方体，为简化计算，可使得两 长方体相同，并且，当底座三和底座四水平时，两个反射镜或折射透镜的上下底面均与底座 三和底座四平行，此时，两个反射镜或折射透镜的底面均有一组对边与接收器X轴平行，另 一组对边与Y轴平行，且两个反射镜或折射透镜的竖轴中心与底座三和底座四的竖轴中心 重合，并穿过接收器的原点；当采用交叉活节吊丝悬吊反射镜或折射透镜时，沿Y轴方向 看，其中一个反射镜或折射透镜的交叉活节吊丝与底座和反射镜或折射透镜作为上下底边 组成两个四边形，另一反射镜或折射透镜的交叉活节吊丝与底座和反射镜或折射透镜作为 上下底边组成两个对顶角相等的等腰三角形；沿X轴方向看，二者相反，参见图1。当采用 交叉活节吊丝时，在交叉活节的作用范围内，当底座竖轴相对于铅垂线倾斜一个角度时，反 射镜或折射透镜在重力作用下其竖轴将相对于底座竖轴在与其相对应的XOZ平面或YOZ平 面内的倾斜分量反转一个角度；当采用活节四边形吊丝悬吊反射镜或折射透镜时，活节四 边形是由两根长度相等的吊丝为一组的两组以底座和反射镜或折射透镜作为平行的上下 底边的等腰四边形组成的结构系统，参见图9，当采用活节四边形吊丝时，在活节四边形作 用范围内，当底座竖轴相对于铅垂线倾斜一个角度时，反射镜或折射透镜在重力作用下其 竖轴将相对于底座竖轴在与其相对应的XOZ平面或YOZ平面内的倾斜分量向同一个方向转 一个角度。Z为仪器竖轴。 底座一上方的三个伸縮螺旋脚呈三角形分布，为简化计算，首选呈直角三角形、正 三角形或一般等腰三角形分布，至少在其中的两个伸縮螺旋脚上各安装有一个步进电机， 步进电机轴与螺杆固定，与该螺杆配合的调节螺母安装在底座二或底座一上，步进电机与 螺杆固定安装在底座一或底座二上；三个伸縮螺旋脚可设其中一个为支撑脚，支撑脚上可 以不安装步进电机，而只在其余两个伸縮螺旋脚上安装步进电机。
支撑脚为高度可调节的套节或螺旋装置。 至少有一个伸縮螺旋脚与支撑脚的连线和Y轴或X轴平行；另一个伸縮螺旋脚的 螺杆及螺母的中心轴与X轴或Y轴上的接收器元件中心的连线位于同一平面内，二者相交 于此平面内的一点，且此平面与底座二垂直。 底座二至底座四的外周安装有一个壳体。该壳体包围在底座二、三、四外面，以避 免反射镜或折射透镜及吊丝和阻尼器等与外界的直接接触，减小因温度、风、雨等外界因素 给仪器带来的误差。反射镜或折射透镜外周与壳体之间安装有一个阻尼器，使反射镜或折 射透镜只能平行于与其对应的由CCD组成的光信号接收器X轴或Y轴元件中心连线所在的 并与安装X轴或Y轴接收器的底座垂直的平面偏转，即当反射镜或折射透镜偏转时，与X轴 相对应的反射镜或折射透镜上的点相对于X轴方向上有位移，而在Y轴方向上没有位移，与 Y轴相对应的反射镜或折射透镜上的点相对于Y轴方向上有位移，而在X轴方向上则没有位 移，并保证使反射镜或折射透镜尽快停止摆动。 在底座五或底座四上还可以安装有圆水准器，或管水准器，或同时安装圆水准器 和管水准器。 一般安装圆水准器即可，但也可安装管水准器，或二者同时安装。圆水准器和
5/或管水准器用于手动调节。当仪器倾斜角度较大时，接收器无法接收到光信号，此时可以 采用手动调节。
本发明的优点和积极效果 本发明根据激光束的粗细以及接收器窗口的大小，可控制仪器整平的敏感度和精 度，当激光束很细且接收器的窗口很小时，加上光学元件组的反射或折射作用，可大大提高 仪器的敏感度，从而大大提高精度。且自动化的整平过程可减小人工调整水平过程中因不 熟练或失误造成的误差，且能够大大提高整平效率。此方法尤其适用于水准仪、经纬仪、全 站仪等测量仪器。


图1是当采用交叉活节吊丝时快速精确自动安平的水平仪结构示意图；
图2是X轴接收器光敏元件布置俯视示意图；
图3是Y轴接收器光敏元件布置俯视示意图； 图4是当采用交叉活节吊丝与反射镜，反射面在反射镜底部时仪器竖轴铅垂时的 光路图； 图5是当采用交叉活节吊丝与反射镜，反射面在反射镜底部时仪器竖轴倾斜时的 光路图； 图6是当采用交叉活节吊丝与折射透镜，激光发射器向下发射激光时仪器竖轴铅 垂时的光路图； 图7是当采用交叉活节吊丝与折射透镜，激光发射器向下发射激光时仪器竖轴倾 斜时的光路图； 图8是交叉活节悬吊比例图； 图9是当采用活节四边形吊丝时快速精确自动安平的水平仪结构示意图； 图IO是当采用活节四边形吊丝与反射镜，反射面在反射镜底部时仪器竖轴水平
时的光路图； 图11是当采用活节四边形吊丝与反射镜，反射面在反射镜底部时仪器竖轴倾斜 时的光路图； 图12是当采用活节四边形吊丝与折射透镜，激光发射器向下发射激光时仪器竖 轴水平时的光路图； 图13是当采用活节四边形吊丝与折射透镜，激光发射器向下发射激光时仪器竖 轴倾斜时的光路图； 图14是活节四边形悬吊比例具体实施方式

—、结构 本发明提供的水平仪的结构如图1所示，该水平仪主要包括1底座一 ；2伸縮螺 旋脚；3底座二 ；4X轴接收器；5底座二与底座三连接柱；6反射镜或折射透镜一阻尼器；7 反射镜或折射透镜一 ；8反射镜或折射透镜一交叉活节吊丝；9底座三；10Y轴接收器；ll底 座三与底座四连接柱；12反射镜或折射透镜二阻尼器；13反射镜或折射透镜二 ；14壳体；15反射镜或折射透镜二交叉活节吊丝；16底座四；17底座四与底座五连接轴；18底座五；
19管水准器；20圆水准器；21仪器；23反射镜或折射透镜二活节四边形吊丝；24反射镜或
折射透镜一活节四边形吊丝。 该水平仪的具体结构说明如下 1)、底座一 1与底座二 3通过三个伸縮螺旋脚2连接。所述的伸縮螺旋脚是一种 螺旋传动机构，该螺旋传动机构可以将来自电动机的旋转运动转换为直线运动。
步进电机可以固定在底座一 1上。调节螺母可以安装在底座二 3上，当然也可以将 步进电机固定在底座二 3上，而将调节螺母安装在底座一 1上。螺旋传动机构的螺杆设在 伸縮脚上，伸縮脚连接在步进电机的输出轴上或直接将步进电机的输出轴作为伸縮脚。因 步进电机可以将旋转运动转换为直线运动，伸縮脚可随输出轴的伸縮自由伸縮。驱动电机 带动螺杆旋转，由于螺杆与螺母只有一个转动自由度，且其回转中心与螺母轴线重合，所以 螺杆的旋转会引起螺母沿轴向上下运动。伸縮螺旋脚除可以通过电机带动伸縮之外，还可 以通过手动调节来实现其伸縮。 假如采用步距角为1. 8°的电机，当采用螺距为lmm的传动螺纹时，螺杆每旋转 3. 6° ，螺杆与螺纹产生的相对移动为0. Olmm，假设此时伸縮脚与转动轴线的距离为60mm， 则此时装置发生的相对转动为o.or 。采用步距角更小的电机，添加细分器或者其他传动 机构，可很容易提高精度。 为了减小成本，可将三个螺旋脚中的一个设为支撑脚，不安装电机，只在另外两个 螺旋脚上安装电动机。支撑脚为高度可调节的套节或螺旋装置。至少有一个伸縮螺旋脚与 支撑脚的连线与Y轴平行。三个螺旋脚的分布首选为直角三角形，因为接收器的接受信号 相互正交，这样可简化两个伸縮螺旋脚的计算。三个螺旋脚的分布也可选为正三角形或一 般等腰三角形。另一个伸縮螺旋脚的螺杆及螺母的中心轴与X坐标轴接收器4的各元件中 心的连线位于同一平面内，二者相交于此平面内的一点，且此平面与底座二垂直。当然也可 以使支撑脚连线与X轴平行，而另一个支撑脚位于Y轴正下方，其连接同上。
2)、当7和13为反射镜时，若反射面设在反射镜7和13的下底面，则底座二 3和 底座三9的上表面正中心即坐标为(O，O)处各自安装有一个激光发射器，底座二3和底座 三9上表面各安装有一条由CCD线阵构成的光信号接收器，其中心为激光发射器，CCD的每 个感光元件的大小为接收器的接收窗口 ，接收窗口的直径越小，仪器调平精度越高。CCD线 阵上的感光元件的中心排列成一条直线，以底座二 3上的CCD线阵为X轴接收器4(如图2 所示)，每个接收器具有唯一的一个坐标，位于中心的原点坐标为(O，O)，接收器X轴上的坐 标分别设为……(_2，0)， (-l，O)， (O，O)， (l，O)， (2，0)……底座三9上的CCD线阵为Y轴接 收器10 (如图3所示)，同样每个接收器具有唯一的一个坐标，位于中心的原点坐标为(0， O)，接收器Y轴上的坐标分别设为……(0，-2)， (O，-l)， (O，O)， (O，l)， (0，2)……。X轴接 收器4与Y轴接收器IO相互垂直，X轴接收器4与Y轴接收器10可以互换。激光发射器 发射的激光始终分别垂直底座二3和底座三9向上发射，分别经反射镜7和13的反射，光 斑或光斑中心分别落在底座二 3的X轴接收器4和底座三9的Y轴接收器10上。当反射 面设在反射镜7和13的上顶面，则激光发射器和X轴接收器4与Y轴接收器10分别安装 在底座三9和底座四16的下表面。当7和13为折射透镜时，若激光发射器安装在底座三 9和底座四16的下表面正中心，则与其对应的由CCD线阵构成的光信号接收器安装在底座二 3和底座三9的上表面，激光发射器发射的激光始终分别垂直底座三9和底座四16向下 发射，分别经折射透镜7和13的折射，光斑或光斑中心分别落在底座二3的X轴接收器4 和底座三9的Y轴接收器10上。激光发射器和由CCD线阵构成的光信号接收器可互换位 置，即激光发射器分别安装在底座二 3和底座三9的上表面正中心，发射的激光垂直底座二 3和底座三9向上发射，X轴接收器4和Y轴接收器10分别安装在底座三9和底座四16的 下表面，激光发射器发射的激光经透镜的折射，光斑或光斑中心分别落在X轴接收器4和Y 轴接收器10上。以上的X轴接收器4与Y轴接收器10安装位置均可以互换，即可任取其 中一个为X轴接收器4，另一个为Y轴接收器10。 3)、底座二 3、底座三9、底座四16和底座五18始终平行，且其竖轴中心重合。前 三者通过连接柱连接固定，不能相互转动或移动，当然也可以将连接柱设为可调长短，用于 校正。底座四和底座五通过连接轴17连接，其连接轴的中心轴与二者的中心轴重合，二者 可相互旋转，且只有一个旋转自由度。当二者相互发生旋转时，二者仍始终平行。连接轴的 两端可采用一端固定在某一底座上(比如底座四16)，另一端可与另一底座(比如底座五 18)发生相对旋转。此外可按照现有水准器、经纬仪的结构另设水平制动螺旋，例如当连接 轴与底座四固定而与底座五可相对旋转时，水平制动螺旋可设在连接轴17或底座五18或 二者的连接处，当不需要旋转时，锁死二者，使其不能发生相对旋转。 4)、在光路的传播路径上，如在反射镜或折射透镜与底座之间，可安装光学元件如 透镜或透镜组，比如凹透镜等，也可添加反射镜或反射镜组，包括全反射反射镜或折射透镜 等，固定在底座或壳体上，光路经过折射或多次反射，可增大光斑在接收器上的偏移量，可 提高仪器的敏感度，从而提高仪器的整平精度。 5)、底座三9和底座四16下方以等长的交叉活节吊丝8和15或活节四边形吊丝23 和24各悬吊一个长方体反射镜或折射透镜7和13，为简化计算，可以使两个长方体相同，并 且当底座三9和底座四16水平时，两个反射镜或折射透镜的上下底面均与底座三9和底座 四16平行，此时，两个反射镜或折射透镜7和13的底面均有一组对边与接收器X轴平行， 另一组对边与Y轴平行，且两个反射镜或折射透镜的竖轴中心与底座三9和底座四16竖轴 中心重合，并穿过接收器的原点；当采用交叉活节吊丝悬吊反射镜或折射透镜时，沿Y轴方 向看，其中一个反射镜或折射透镜的交叉活节吊丝与底座和反射镜或折射透镜作为上下底 边组成两个四边形，另一反射镜或折射透镜的交叉活节吊丝与底座和反射镜或折射透镜作 为上下底边组成两个对顶角相等的等腰三角形；沿X轴方向看，二者相反，参见图1。当采 用交叉活节吊丝时，在交叉活节的作用范围内，当底座竖轴相对于铅垂线倾斜一个角度时， 反射镜或折射透镜在重力作用下其竖轴将相对于底座竖轴在与其相对应的X0Z平面或Y0Z 平面内的倾斜分量反转一个角度；当采用活节四边形吊丝悬吊反射镜或折射透镜时，活节 四边形是由两根长度相等的吊丝为一组的两组以底座和反射镜或折射透镜作为平行的上 下底边的等腰四边形组成的结构系统，参见图9，当采用活节四边形吊丝时，在活节四边形 作用范围内，当底座竖轴相对于铅垂线倾斜一个角度时，反射镜或折射透镜在重力作用下 其竖轴将相对于底座竖轴在与其相对应的X0Z平面或Y0Z平面内的倾斜分量向同一个方向 转一个角度。Z为仪器竖轴。 反射镜或折射透镜一 7的外周与壳体14之间安装有反射镜或折射透镜一阻尼器 一6，以利于伸縮脚升降之后反射镜或折射透镜一7的快速稳定。反射镜或折射透镜一阻尼器6沿X轴紧贴反射镜或折射透镜一 7，即反射镜或折射透镜一 7与X轴接收器4平行的两 个侧面被反射镜或折射透镜一阻尼器6紧贴，这样使得当仪器倾斜时，反射镜或折射透镜
一 7只能平行于与其对应的由CCD组成的光信号接收器X轴元件中心连线所在的并与安装 有X轴接收器的底座垂直的平面偏转，即当反射镜或折射透镜偏转时，与X轴相对应的反射 镜或折射透镜一 7上的点相对于X轴方向上有位移，而在Y轴方向上没有位移，即只能平行 于XOZ平面偏转，在Y轴方向上没有位移。反射镜或折射透镜二 13的外周与壳体14之间 安装有反射镜或折射透镜二阻尼器12，反射镜或折射透镜二阻尼器12沿Y轴贴紧反射镜 或折射透镜二 13，即反射镜或折射透镜二 13与Y轴接收器10平行的两个侧面被反射镜或 折射透镜二阻尼器12紧贴，这样使得当仪器倾斜时，反射镜或折射透镜二 13只能平行于与 其对应的由CCD组成的光信号接收器Y轴元件中心连线所在的并与安装Y轴接收器的底座 垂直的平面偏转，即当反射镜或折射透镜二 13偏转时，与Y轴相对应的反射镜或折射透镜
二 13上的点相对于Y轴方向上有位移，而在X轴方向上则没有位移，即只能平行于YOZ平 面偏转，在X轴方向上没有位移。Z为仪器的竖轴。 这保证了两个交叉活节或活节四边形正交，当仪器在XYZ空间内往任何一个方向
倾斜时，至少有一个接收器接收到的光斑或光斑中心不位于接收器的原点。 当然也可以使反射镜或折射透镜一 7和反射镜或折射透镜二 13连同其对应的吊
丝、阻尼器等相互对换。 阻尼器可安装在壳体上或固定在底座上，阻尼器上可以设置卡死结构，当不使用 时，可将阻尼器卡死，这样反射镜或折射透镜将不能再偏转，有利于保护反射镜或折射透镜 在搬动过程中不被撞坏，并保护吊丝。 6)、底座五18或底座四16上同时安装有圆水准器20或管水准器19用于手动调 节。 一般只安装圆水准器即可，也可安装管水准器或者二者同时安装。当仪器倾斜角度较 大，接收器无法接收到光信号时，可初步采用手动调节。 底座五18上方可直接安装现有的水准仪等，这样因为水准仪上均安装有圆水准 仪，所以本例中的圆水准器或管水准器亦可不再安装。若专用于经纬仪、水准仪等仪器，也 可以不再安装底座五18，而直接将仪器安装在底座四16上。 仪器21为各种仪器，包括各种测量仪器如经纬仪、全站仪等的主体部分，且其竖 轴中心与底座五18的竖轴中心重合。 壳体14包围在底座二3、底座三9、底座四16外面，可避免反射镜或折射透镜及吊
丝和阻尼器等与外界的直接接触，减小因温度、风、雨等给仪器带来的误差。 当然在上述各实例中，也可以其中一个采用反射镜，另一个采用折射透镜，或者一
个其中采用交叉活节吊丝，另一个采用活节四边形吊丝，但为了计算简便，一般两个反射镜
或折射透镜均采用一样的，即都采用反射镜或折射透镜，且均采用交叉活节吊丝或均采用
活节四边形吊丝。 二、整平原理( — )、采用交叉活节吊丝 1.当7和13为反射镜时 当7和13为反射镜时，若其下底面设为反射面。底座二 3和底座三9的上表面正 中心即坐标为(O，O)处底部各自安装有一个激光发射器，激光发射器发射的激光始终分别垂直底座二 3和底座三9向上发射，分别经反射镜7和13的反射，光斑或光斑中心分别落 在底座二 3上表面的X轴接收器4和底座三9上表面的Y轴接收器10上。
以X轴方向反射镜7和X轴接收器4为例，如图4所示，当仪器竖轴处于铅垂状态 时，底座二 3和底座三9均处于水平状态，此时，反射镜的反射面与二底座平行，也处于水平 状态。则位于底座二 3中心点即X轴接收器4原点0的激光发射器垂直底座二 3发出的激 光照射在反射镜14的反射面上，经反射后反射光线照射在接收器的正中心周围并形成光 斑，光斑或光斑中心的坐标为原点(O，O)。 如图5所示，当仪器竖轴在X0Z平面内由铅垂状态的Z轴倾斜至Z'轴，倾斜的角 度为a '，则底座二3和底座三9相对于水平面均偏转a '，由于重力的作用，在交叉活节作 用下，反射镜7相对于底座二 3和底座三9会发生偏转，且偏转方向与底座旋转方向相反， 由于反射镜7受反射镜或折射透镜一阻尼器6作用，在反射镜或折射透镜一交叉活节吊丝8 作用下，反射镜一 7可平行X0Z平面偏转，则激光束照射在反射镜7的底面，经反射面的反 射，反射光线的光斑或光斑中心将落在X轴接收器4的接收元件D'(x'，0)上。设反射镜7 相对于水平面的偏转角度为P '，反射镜7与底座三9相对的偏转角度为|3 ' + a '，称n = P ' / a '为交叉活节四边形的放大系数。 如图8所示，当底座水平时，OA(这里的OA等效于反射镜或折射透镜一吊丝在底 座三的悬吊点之间的距离)的长度为a， BC(这里的BC等效于反射镜一上两个悬吊点之间 的距离)的长度为b，此时OA与BC平行，其距离为c，h为整个摆体的重心距BC的距离，在 上为正，在下为负。
则放大系数
2rf II-
其中d = (a+b)/2
假如采用步距角为1. 8°的电机，当采用螺距为1mm的传动螺纹时，螺杆每旋转 3. 6° ，螺杆与螺纹产生的相对移动为0. Olmm，假设此时伸縮脚与转动轴线的距离为60mm， 则此时装置发生的相对转动为o.or 。可见采用反射镜时，即使较小的仪器倾斜角度，也能 产生较大的光斑或光斑中心偏移。改变a、b、c和h的比例、添加细分器或其他传动机构可 很容易提高仪器整平精度。 则当X轴接收器4接收到光斑或光斑中心的坐标不为原点时，升降X轴下方的伸 縮脚螺旋，因为反射镜或折射透镜一 7只能平行于XOZ平面偏转，所以当升降X轴下方的伸 縮脚螺旋的过程中，光斑或光斑中心将始终位于X轴上，而不会偏离X轴。当X轴接收器接 收到的光斑或光斑中心位于坐标原点时，说明在X轴正半轴和负半轴两端处于水平面内。
反射镜13和Y轴接收器的情况与X轴接收器相同，只是方向与其正交。伸縮相应 的脚螺旋，可使得Y轴接收器接收到的光斑或光斑中心位于坐标原点，此时说明Y轴正半轴 和Y轴负半轴处于水平面内。 当仪器向任意方向倾斜时，X轴接收器4和Y轴接收器10将接收到相互正交的不 同的信号，分别指示仪器竖轴在XOZ平面和YOZ平面内的倾斜分量。因为至少有一条轴平
10行于其中一个伸縮脚与支撑脚的连线，此例不妨设其中一个螺旋脚与支撑脚的连线平行于 Y轴，则升降此螺旋脚，直到Y轴接收器接收到的光斑或光斑中心坐标为(O，O)，然后升降另 一个脚螺旋，使X轴接收器接收到的光斑或光斑中心坐标也为(0， 0)，又在底座二 3上与X 轴垂直并与Y轴平行的直线亦处于水平面内。由两条相交直线可确定一个平面，知此时底 座二水平。此时在X0Z平面内和Y0Z平面内均没有倾斜，可说明仪器竖轴处于铅垂位置。
当7和13为反射镜，若其上顶面为反射面时，其基本原理与上述相同，只是激光发 射器和光信号接收器的安装位置不同，底座三9和底座四16的下表面的正中心即坐标为 (0， 0)处底部各自安装有一个激光发射器，两个CCD光信号接收器也分别安装在底座三9和 底座四16的下表面，激光发射器发射的激光始终分别垂直底座三9和底座四16的向下发 射，分别经反射镜7和13的反射，光斑或光斑中心分别落在底座三9的和底座四16的接收 器上。 2.当7和13为折射透镜时 当7和13为折射透镜时，若激光发射器分别安装在底座三9和底座四16下表面 的正中心，激光发射器发射的激光始终分别垂直底座三9和底座四16向下发射，分别经折 射透镜7和13的折射，光斑或光斑中心分别落在底座二 3的X轴接收器4和底座三9的Y 轴接收器10上。 以X轴方向折射透镜一 7和X轴接收器为例，如图6所示，当仪器竖轴处于铅垂状 态时，底座二 3和底座三9均处于水平状态，此时，折射透镜一 7的上下底面与二底座平行， 也处于水平状态。则位于底座三9中心点的激光发射器垂直底座三9发出的激光照射在折 射透镜一 7上，经折射后折射光线照射在X轴接收器4的正中心周围并形成光斑，光斑或光 斑中心的坐标为原点(O，O)。 如图7所示，当仪器竖轴在X0Z平面内由铅垂状态的Z轴倾斜至Z'轴，倾斜的角 度为a '，则底座二3和底座三9相对于水平面均偏转a '，由于重力的作用，在交叉活节作 用下，反射镜7相对于底座二 3和底座三9会发生偏转，且偏转方向与底座旋转方向相反， 由于反射镜7受反射镜或折射透镜一阻尼器6作用，在反射镜或折射透镜一交叉活节吊丝8 作用下，反射镜一 7可平行X0Z平面偏转，则激光束经过折射透镜一 7的折射，折射光线的 光斑或光斑中心将落在X轴接收器4的接收元件D' (x'，O)上。其交叉活节四边形的放大 系数与上相同。 若激光发射器安装在底座二 3和底座三9上表面的正中心，则光信号接收器安装 在底座三9和底座四16下表面，激光发射器发射的激光分别垂直底座二 3和底座三9向上 发射激光束，激光束分别经折射透镜7和13的折射，光斑或光斑中心分别落在位于底座三 9和底座四16下表面的光信号接收器上。 其余调平原理与反射镜时相同，均为调整两个脚螺旋，以使得X轴接收器4和Y轴 接收器10接收到的光斑或光斑中心的坐标为原点(O，O)，则此时仪器竖轴处于铅垂位置。
(二)、采用活节四边形 仪器结构如图9所示，以底座三3与反射镜或折射透镜7为例，当仪器竖轴在X0Z 平面内由铅垂状态的Z轴倾斜至Z'轴，倾斜的角度为a '，则底座三3相对于水平面偏转 a '，由于重力的作用，在活节四边形作用下，反射镜或折射透镜7相对于底座三3会发生偏 转，且偏转方向与底座旋转方向相同，由于反射镜或折射透镜7受阻尼器6作用，在反射镜或折射透镜活节四边形活节吊丝24作用下，反射镜或折射透镜7可平行X0Z平面偏转，则 激光束经反射镜7的反射或折射透镜7的折射，反射光线或折射光线的光斑或光斑中心将 落在X轴接收器4的接收元件D'上，其坐标为x'。设反射镜或折射透镜7相对于水平面的 偏转角度为P '，反射镜7与底座三3相对的偏转角度为e'-a'，称n二P'/a'为交 叉活节四边形的放大系数。 如图14所示，设0C(这里0C等效于活节四边形吊丝与底座的悬吊点之间连线) 的长度为a， MN(这里W^等效于反射镜或折射透镜顶面与活节四边形的悬吊点的连线)长 度为b，吊丝的长度为l，h为整个摆体的重心距MN的距离，当底座水平时，MN与OC平行，此 时两吊丝延长线交于点A，两吊丝夹角为2 e ，当OC倾斜，则放大系数
<formula>formula see original document page 12</formula> 表示当h = 0时活节四边形的放大系数。 其余各零部件的作用与安装均与当采用交叉活节吊丝时相同，只是因为悬吊方式 不同，同样的仪器倾斜得到的光信号接收器上感光元件的坐标不同，相对应的底座由倾斜 状态至水平状态所进行的底座旋转和伸縮螺旋脚伸縮不同。图io是当采用活节四边形吊 丝与反射镜，反射面在反射镜底部时仪器竖轴水平时的光路图；图11是当采用活节四边形 吊丝与反射镜，反射面在反射镜底部时仪器竖轴倾斜时的光路图；图12是当采用活节四边 形吊丝与折射透镜，激光发射器向下发射激光时仪器竖轴水平时的光路图；图13是当采用 活节四边形吊丝与折射透镜，激光发射器向下发射激光时仪器竖轴倾斜时的光路图。
三、调平步骤 1、松开固定反射镜或折射透镜的阻尼器，使得反射镜或折射透镜可以自由摆动， 启动电源。 2、激光发射装置发射激光，通过反射镜7和反射镜13的反射(或折射透镜7和折 射透镜13的折射)之后，光斑或光斑中心分别照射在X轴接收器4的感光元件上和Y轴接 收器10的感光元件上。 3、运算控制单元计算出X轴感光器和Y轴感光器上光斑或光斑中心所在元件的坐 标(x，，O)和(0， y，)。 4、运算控制单元输出信号，输入控制驱动系统，控制驱动系统驱动伸縮脚电动机 转动，从而带动伸縮脚升降。此例中其中一个螺旋脚与支撑脚的连线与Y轴平行，另一个伸 縮螺旋脚位于X轴正下方，首先升降第一个伸縮螺旋脚，使得Y轴接收器10接收到的光斑 或光斑中心所在感光元件坐标为(0，0)，待停止后，升降第二个螺旋脚，使得X轴接收器4接 收到的光斑或光斑中心所在感光元件坐标为(O，O)
5、待第二个伸縮螺旋脚停止伸縮后，重复上述步骤2-5，直到X轴接收器4和Y轴 接收器10接收到的光斑或光斑中心所在感光元件的坐标均为(0，0)，此时仪器竖轴处于铅 垂位置，底座二至底座五均处于水平位置。 6、使用完毕后，关闭电源，固定两个阻尼器，以避免搬动过程中反射镜或折射透镜 与壳体的碰撞，并保护吊丝。
权利要求
一种快速精确自动安平的水平仪，包括底座一至底座五，底座一与底座二间安装有三个伸缩螺旋脚，底座二的上方通过连接柱固定安装有底座三，底座三的上方通过连接柱固定安装有底座四，底座三和底座四下方以等长的交叉活节吊丝或活节四边形吊丝各悬吊一个反射镜或折射透镜，底座三和底座四下方的吊丝可以相同也可以不同，同样，底座三和底座四下方所悬吊的反射镜或折射透镜既可以相同也可以不同；当底座三和底座四下方悬吊的是反射镜时，激光发射器和与其对应的由CCD线阵构成的光信号接收器安装在反射镜上方或下方同一个底座上，即若反射面在反射镜的下底面，则底座二和底座三的上表面各安装有一个激光发射器和一条由CCD线阵构成的光信号接收器，CCD线阵上的感光元件的中心排列成一条直线，激光发射器安装在底座二和底座三的上表面中心，激光发射器发射的激光束分别垂直底座二和底座三向上发射；若反射面在反射镜的上顶面，则激光发射器和由CCD线阵构成的光信号接收器均安装在底座三和底座四的下表面，激光发射器发射的激光束分别垂直底座三和底座四向下发射；当悬吊折射透镜时，激光发射器和与其对应的由CCD线阵构成的光信号接收器分别安装在折射透镜上方和下方不同侧的底座上，即当激光发射器分别安装在底座二和底座三的上表面时，与其对应的由CCD线阵构成的光信号接收器分别安装在底座三和底座四的下表面，当激光发射器分别安装在底座三和底座四的下表面时，则与其对应的由CCD线阵构成的光信号接收器分别安装在底座二和底座三的上表面，其中一个CCD线阵为X轴，另一个CCD线阵位为Y轴，X轴与Y轴相互垂直；底座四的上方通过中心连接轴安装有底座五，底座五上设有连接螺孔，用于放置仪器，底座二、底座三、底座四与底座五均两两相互平行。
2. 根据权利要求1所述的水平仪，其特征在于底座三和底座四下方悬吊的反射镜或折射透镜为长方体，为简化计算，可使得两长方体相同，并且，当底座三和底座四水平时，两个反射镜或折射透镜的上下底面均与底座三和底座四平行，此时，两个反射镜或折射透镜的底面均有一组对边与接收器X轴平行，另一组对边与Y轴平行，且两个反射镜或折射透镜的竖轴中心与底座三和底座四的竖轴中心重合，并穿过接收器的原点；当采用交叉活节吊丝悬吊反射镜或折射透镜时，沿Y轴方向看，其中一个反射镜或折射透镜的交叉活节吊丝与底座和反射镜或折射透镜作为上下底边组成两个四边形，另一反射镜或折射透镜的交叉活节吊丝与底座和反射镜或折射透镜作为上下底边组成两个对顶角相等的等腰三角形；沿X轴方向看，二者相反；当采用活节四边形吊丝悬吊反射镜或折射透镜时，活节四边形是由两根长度相等的吊丝为一组的两组以底座和反射镜或折射透镜作为平行的上下底边的等腰四边形组成的结构系统。
3. 根据权利要求1或2所述的水平仪，其特征在于底座一上方的三个伸縮螺旋脚呈三角形分布，至少在其中的两个伸縮螺旋脚上各安装有一个步进电机，步进电机轴与螺杆固定，与该螺杆配合的调节螺母安装在底座二或底座一上，步进电机与螺杆固定安装在底座一或底座二上；三个伸縮螺旋脚可设其中一个为支撑脚，支撑脚上可以不安装步进电机，而只在其余两个伸縮螺旋脚上安装步进电机。
4. 根据权利要求3所述的水平仪，其特征在于三个伸縮螺旋脚优选呈直角三角形、正三角形或一般等腰三角形分布，若选三角形为直角三角形，则支撑脚作为直角三角形的直角顶点；所述的支撑脚为高度可调节的套节或螺旋装置。
5. 根据权利要求3所述的水平仪，其特征在于至少有一个伸縮螺旋脚与支撑脚的连线和Y轴或X轴平行；另一个伸縮螺旋脚的螺杆及螺母的中心轴与X轴或Y轴上的接收器元件中心连线位于同一平面内，二者相交于此平面内的一点，且此平面与底座二垂直。
6. 根据权利要求1、2、4或5所述的水平仪，其特征在于底座二至底座四的外周安装有一个壳体。
7. 根据权利要求6所述的水平仪，其特征在于反射镜或折射透镜外周与壳体之间安装有一个阻尼器，使反射镜或折射透镜只能平行于与其对应的由CCD组成的光信号接收器X轴或Y轴元件中心连线所在的并与安装有X轴或Y轴接收器的底座垂直的平面偏转，即当反射镜或折射透镜偏转时，与X轴相对应的反射镜或折射透镜上的点相对于X轴方向上有位移，而在Y轴方向上没有位移，与Y轴相对应的反射镜或折射透镜上的点相对于Y轴方向上有位移，而在X轴方向上则没有位移，并保证使反射镜或折射透镜尽快停止摆动；当采用交叉活节吊丝时，在交叉活节的作用范围内，当底座竖轴相对于铅垂线倾斜一个角度时，反射镜或折射透镜在重力作用下其竖轴将相对于底座竖轴在与其相对应的XOZ平面或YOZ平面内的倾斜分量反转一个角度；当采用活节四边形吊丝时，在活节四边形作用范围内，当底座竖轴相对于铅垂线倾斜一个角度时，反射镜或折射透镜在重力作用下其竖轴将相对于底座竖轴在与其相对应的XOZ平面或YOZ平面内的倾斜分量向同一个方向转一个角度，Z为仪器竖轴。
8. 根据权利要求1、2、4、5或7所述的水平仪，其特征在于底座五或底座四上安装有圆水准器，或管水准器，或同时安装圆水准器和管水准器。
9. 一种使用权利要求1所述的水平仪进行调平的方法，其特征在于该方法的具体过程如下松开固定反射镜或折射透镜的阻尼器，使得反射镜或折射透镜可以自由摆动，启动电源；激光发射装置发射激光，通过反射镜的反射或折射透镜的折射之后，光斑或光斑中心分别照射在两个接收器的感光元件上；运算控制单元计算出X轴感光器和Y轴感光器上光斑或光斑中心所在元件的坐标(x'，O)和(0， y');运算控制单元输出信号，输入控制驱动系统，控制驱动系统驱动伸縮脚的电动机转动，从而带动伸縮脚升降；其中一个螺旋脚与支撑脚的连线与Y轴平行，另一个伸縮螺旋脚位于X轴正下方，首先升降第一个伸縮螺旋脚，使得Y轴接收器接收到的光斑或光斑中心所在感光元件坐标为(0， 0)，待停止后，升降第二个螺旋脚，使得X轴接收器接收到的光斑或光斑中心所在感光元件坐标为(0， 0)，按上述方法重复，直到X轴接收器和Y轴接收器接收到的光斑或光斑中心所在感光元件的坐标均为(0，0)，此时仪器竖轴处于铅垂位置，底座二至底座五均处于水平位置；使用完毕后，关闭电源，固定两个阻尼器，以避免搬动过程中反射镜或折射透镜与壳体的碰撞，并保护吊丝。
全文摘要
一种快速精确自动安平的水平仪。包括底座一至底座五，底座一与底座二间安装有三个伸缩螺旋脚，底座三和底座四下方以交叉活节或活节四边形各悬吊一个反射镜或折射透镜，当悬吊反射镜时，激光发射器和由CCD线阵构成的光信号接收器均安装在反射镜上方或下方同一底座上；当悬吊折射透镜时，激光发射器和由CCD线阵构成的光信号接收器分别安装在折射透镜上下两侧不同底座上；激光发射器位于底座中心，其中一个CCD线阵为X轴，另一个CCD线阵为Y轴，X轴与Y轴相互垂直；底座五放置仪器；该水平仪尤其适用于水准仪、经纬仪等，可减小人工整平过程中因不熟练或失误造成的误差，且能够大大提高整平效率，使整平向快速精确自动化迈出重要一步。
文档编号G02B7/02GK101726288SQ20091024503
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者王鹏飞 申请人:王鹏飞