两点激光测量平面空间偏角的方法及装置与流程

本发明属于激光检测技术领域，涉及一种两点激光测量平面空间偏角的方法及装置。

背景技术：

大型结构体,例如建筑物、桥梁、铁轨、重型机械设备等，在建筑和施工时，其某些平面的空间角度测量十分关键，是关系到质量和安全等国计民生的重要课题。有些结构体平面的偏角，例如建筑物外表面的竖直偏角，可利用经纬仪在建筑物侧面观测其轮廓进行测量，但有的结构体平面正对观测者，或侧面无法观测(例如建筑物内凹的表面)，此时无法通过侧面轮廓检测得到该平面的空间偏角。另外，利用经纬仪进行侧面轮廓检测时只能得到一个方向的偏角，不能同时得到物体待测平面水平和竖直两个方向的偏角。对此类问题，有以下三种测量方法：

一、在结构体待测平面上固定平面镜，将经纬仪调整水平并瞄准平面镜，观测经纬仪十字分划经平面镜反射回的像的水平和竖直偏角，即待测平面的水平和竖直偏角。但这种方法需要人工读数，效率低下，容易出现读数误差，并且经纬仪观测范围很小，一般不超过2'，略大一点的偏角则超出测量范围，无法检测；

二、三维激光扫描用于空间结构的测绘，该方法为非接触测量，对结构本体无影响，精度高，所获取的数据为结构体表面的三维坐标数据，利用后处理软件可构建三维模型。结合计算机编程，三维点云数据可有效地用于结构体垂直度分析，截面图、立面图、等值线图绘制，以及变形监测等工作中。但该方法成本很高，所获取的数据需要后续处理，不能直接读数，对使用人员的专业水平要求很高。在建筑、施工和大型结构件检测等领域无法得到实际应用；

三、对连续待测面的空间偏角检测，例如铁轨表面空间偏角测量，可将激光器固定于铁轨表面上，接收靶靠紧铁轨表面，调整激光器使其光斑对准接收靶靶面中心，沿着铁轨表面移动接收靶，不断测量激光器到接收靶的距离，根据激光光斑的偏移量计算铁轨表面的空间偏角，这种方法虽然易于实现自动化，但必须测距，另外即便进行测距也无法确定空间偏角的方向。

技术实现要素：

本发明目的是解决上述大型结构体待测平面的空间偏角(水平角和竖直角)测量中现有方法的复杂、低效和不便利性，具有自动化程度高、测量范围大、效率高、成本低的优点。

为实现以上目的，本发明提供一种两点激光测量平面空间偏角的方法，是利用两个平行且位置关系已知的激光光束在靶面形成两个光斑，上述激光光束垂直于待测平面，使两个激光光束中心的连线与水平面夹角呈锐角或钝角；

靶面垂直方向设置，探测激光光斑，计算激光光斑的中心坐标，计算激光光斑中心的水平和垂直距离，并与已知的激光光束中心的水平和垂直距离进行对比，计算待测平面的空间偏角；

改变靶面的空间角度，上述靶面绕垂直轴和水平轴分别旋转一个角度，再分别计算激光光斑中心的水平和垂直距离，对比旋转前后两组的计算结果，得到待测平面的空间偏角方向。

上述方法的具体操作如下：

1)将两个激光器与待测平面的位置相对固定，使发出的激光光束相互平行且与待测平面垂直，两个激光器中心连线与水平面呈一个锐角或钝角排布，准确测量得到两个激光器光轴中心的水平距离s1和垂直距离s2；

2)打开激光器，在激光器一定距离处放置探测器，在靶面上形成光斑；

3)调节靶面，使其相对水平面垂直设置；

4)控制激光器开关使两个激光器受控亮、灭；

5)根据激光光斑的中心坐标计算两个激光光斑中心的水平距离l1和垂直距离l2，就可以计算得出待测平面的空间偏角；

6)使靶面绕水平轴旋转一个角度，再次计算两个光斑的垂直距离l2，计算结束后使靶面复位，就可以计算得出待测平面的空间竖直偏角方向；

7)使靶面绕垂直轴旋转一个角度，再次计算两个光斑的水平距离l1，计算结束后使靶面复位，就可以计算得出待测平面的空间水平偏角方向。

上述待测平面的空间偏角大小及方向的计算方法是：

上述激光光束与待测平面垂直，待测平面的竖直偏角计算为水平偏角为比较l2和l2的大小确定竖直偏角

的方向，比较l1和l1的大小确定水平偏角的方向。

一种可测量平面空间偏角的装置，包括激光器组件和探测器，

所述激光器组件包含两个激光器和安装座，两个激光器固定于安装座内，两个激光器发出的激光光束相互平行；

所述安装座旋转设置于基准座中；

所述基准座上设置有基准面，两个激光器发出的激光光束与基准面垂直；

所述探测器包括靶面、光学镜头、光电传感器和处理电路，光学镜头的探测光轴垂直于靶面设置，光电传感器设置于光学镜头后侧，靶面的几何中心与光学镜头、光电传感器的光轴重合，所述光电传感器与处理电路连接。

上述光电传感器为ccd或cmos图像传感器。

上述管水准器设置于安装座上。以方便指示水平方向。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)解决了经纬仪测量平面空间偏角时的主观判断误差，采用自动测量、数字显示的方法，直观地给出待测平面空间偏角，测量效率高；

2)解决了经纬仪测量范围小的缺点，可增大靶面尺寸在测量距离不变时增大测量范围；

3)能够同时计算待测平面空间偏角的大小和方向；

4)结构简单、成本低，数据处理简单。

附图说明

图1为本发明基准座结构示意图；

图2是图1的a向视图；

图3为本发明探测器结构示意图；

图4是图3的a向视图；

图5为实施例1激光器的排布方式示意图；

图6为本发明空间偏角测量方法示意图；

图7为安装基准面131紧贴待测平面时竖直角的计算示意图；

图8为安装基准面131紧贴待测平面时水平角的计算示意图。

其中：

1—基准座2—探测器

11—安装座12—激光控制器

21—靶面22—光学镜头

23—光电传感器24—处理电路

25—水平调整旋钮26—竖直角度调节装置

27—水平角度调节装置28—探测器底座

111—第一激光器112—第二激光器

113—管水准器131—基准面

具体实施方式

本发明提供一种两点激光测量平面空间偏角的方法，是利用两个平行且位置关系已知的激光光束在靶面形成两个光斑，上述激光光束垂直于待测平面，使两个激光光束中心的连线与水平面呈一个锐角或钝角；

靶面垂直方向设置，探测激光光斑，计算激光光斑的中心坐标，计算激光光斑中心的水平和垂直距离，并与已知的激光光束中心的水平和垂直距离进行对比，计算待测平面的空间偏角；

改变靶面的空间角度，上述靶面绕垂直轴和水平轴分别旋转一个角度，再分别计算激光光斑中心的水平和垂直距离，对比旋转前后两组的计算结果，得到待测平面的空间偏角方向。

参见图1-图4，为了实现上述方法，本发明提供了一种可测量平面空间偏角的装置：包括激光器组件和探测器，

所述激光器组件包含两个激光器和安装座，两个激光器固定于安装座内，两个激光器发出的激光光束相互平行；

所述安装座旋转设置于基准座中；

所述基准座上设置有基准面，两个激光器发出的激光光束与基准面垂直；

所述探测器包括靶面、光学镜头、光电传感器和处理电路，光学镜头的探测光轴垂直于靶面设置，光电传感器设置于光学镜头后侧，靶面的几何中心与光学镜头、光电传感器的光轴重合，所述光电传感器与处理电路连接。

上述光电传感器为ccd或cmos图像传感器。

上述管水准器设置于安装座上。以方便指示水平方向。

激光器组件上的两个激光器111和112与激光控制器12连接，激光控制器12控制两个激光器的亮、灭，以便明确光斑所对应的激光器，可采用51单片机控制继电器的通、断实现。

安装座11可在基准座1中旋转的机构很多，例如在安装座11后部有一段与基准座1内设置的连接孔精密配合的连接轴，达到激光器组件自由旋转的目的。

管水准器113位于安装座11上，其水泡通过指示水平方向来进行第一激光器111和第二激光器112中心连线与水平面所呈角度的设置。

所述靶面21通过探测器2上的调整机构来实现与水平面的垂直设置和空间角度的改变，可以包括水平调整旋钮25、竖直角度调节装置26、水平角度调节装置27和探测器底座28组成。

所述靶面21的尺寸可通过调整光学镜头22到靶面21的距离和光学镜头的参数增大或缩小；

所述靶面21与探测器底座上表面垂直，水平调整旋钮25调整探测器底座上表面水平；

所述竖直角度调节装置26可使靶面21的竖直角沿一个方向改变一个角度并可复位；

所述水平角度调节装置27可使靶面21的水平角沿一个方向改变一个角度并可复位。

以下通过具体的实施例对本发明进行详细地描述：

实施例1：

参见图5和图6。一种可测量平面空间偏角的装置，包括第一激光器111和第二激光器112和安装座11，上述两激光器光轴中心连线与安装座11上表面呈45°夹角。

一种两点激光测量平面空间偏角的方法：

1)将激光器组件固定于待测平面上，使基准座的基准面131紧贴待测平面，这样两个激光器发出的激光光束平行且与待测平面垂直；

2)调整安装座11，使管水准器水泡居中，在本实施例中使安装座11上表面水平设置，第一激光器111和第二激光器112之间的连线与水平面呈45°设置，第一激光器111和第二激光器112的水平距离s1和垂直距离s2在激光器安装后实际测量获得，将激光对准靶面21；

3)控制激光控制器12使激光器打开，在激光器组件一定距离处放置探测器2，使两束激光形成的光斑均呈现在靶面21上；

4)调节水平调整旋钮25使探测器底座28上表面水平，确保靶面垂直设置；

5)控制激光控制器12使多个激光器按要求亮、灭；

6)第一激光器111在靶面21上形成的光斑为p1，第二激光器112在靶面21上形成的光斑为p2，即可根据坐标计算光斑p1和p2的水平距离l1和垂直距离l2；

7)使靶面21绕水平轴旋转一个顺时针的竖直角度，再次计算光斑p1到p2的垂直距离l2，计算结束后使靶面21复位；

8)使靶面21绕垂直轴旋转一个顺时针的水平角度，再次计算光斑p1到p2的水平距离l1，计算结束后使靶面21复位；

9)靶面21的几何中心为计算光斑中心的坐标系原点，光电传感器23获取激光光斑图像信息并传送给处理电路24，处理电路24计算光斑中心坐标，进一步计算待测平面空间偏角，处理电路通过显示模块直观地显示出待测平面的空间偏角数值和方向。

参见图7和图8。本实施例中，两个激光光束与待测平面垂直，待测平面的竖直偏角计算为水平偏角为当l2＞l2时，待测平面的竖直偏角为逆时针方向，当l2＜l2时，待测平面的竖直偏角为顺时针方向，当l1＞l1时，待测平面的水平偏角为逆时针方向，当l1＜l1时，待测平面的水平偏角为顺时针方向。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处还在于使靶面21绕水平轴旋转一个逆时针的竖直角度，再次计算光斑p1到p2的垂直距离l2，计算结束后使靶面21复位；使靶面21绕垂直轴旋转一个逆时针的水平角度，再次计算光斑p1、p2的水平距离l1，计算结束后使靶面21复位；

本实施例中，当l2＞l2时，待测平面的竖直偏角为顺时针方向，当l2＜l2时，待测平面的竖直偏角为逆时针方向，当l1＞l1时，待测平面的水平偏角为顺时针方向，当l1＜l1时，待测平面的水平偏角为逆时针方向。