一种手持测高器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种新型手持测高器，用于对树木等高大物体的测量，包括一手持杆，转动杆，U形夹持块，激光器，观察镜筒，两组霍尔传感器与磁钢的组合；手持杆上端设一横向穿孔，转动杆穿在孔中，转动杆一端与U形夹持块固定连接，另一端与激光器固定连接；观察镜筒通过顶针可摆动地安装在U形夹持块中间；观察镜筒的摆动支点与激光器的发射光轴在同一平面内，且观察镜筒的摆动支点到激光发射点的连线始终与激光器的发射光轴垂直，且观察镜筒的摆动支点到激光发射点的距离固定不变。本实用新型通过特殊的结构限定，使其满足测量条件；观察镜筒、激光器、测角器件都可选择普通的价值便宜的器件，仪器使用器件少，结构简单，重量轻，因此可手持。
【专利说明】
一种手持测高器
技术领域
[0001]本实用新型属于涉及一种测高仪，具体涉及一种新型的手持激光测高器。【背景技术】
[0002]树木高度的测量是评价立地质量和树木生长状况的重要依据，树木高度的测定是林业生产和森林资源调查中的难点和重点。目前国内外对树木所采取的测高方法主要有: 测量尺法测树高，全站仪法测树高，超声波法测树高，激光测距测角法测树高，以及航拍、分析照片法测树高等。[〇〇〇3]经炜仪、全站仪等大型测量仪器在以上场合进行高度测量，虽然可以获得很高的测量精度，但是使用这一类仪器又存在着携带困难、操作繁琐、需要专业的测量知识等诸多不便。而在一些交通不发达、测量精度要求不高的场合，能方便携带和操作的手持式测高工具就越来越凸显其重要性。
[0004]目前广泛使用的手持式测高仪根据原理的不同可分为以下三种:机械式测高仪、 超声波式测高仪和激光式测高仪。这三种测高工具分别存在其各自的优劣性。常用的机械式测高仪根据运算原理的不同又可分为韦塞测高仪(圆筒测高仪)、克里斯顿测高仪、布鲁莱斯测高仪、桑托测高仪和阿布尼水准器(水手准)等，这些测高仪器的优点在于价格低廉， 使用方便，但是其测量精度不高，使用时间长后由于机械摩擦引起测量误差，需要经常调校;超声波测高仪一般应用于电缆和横梁等物体架高的测量，价格较低，精度较高，但是比较容易受到被测物体背景物的干扰，测量时需要操作者站在被测物的下方，这会在某些场合引起不便;激光测尚仪相对上述两种测尚工具而目，精度最尚，操作也最为方便，但是其价格昂贵，也容易受到雨雪雾等不良天气的影响。
[0005]此外，上述三种测高仪器的共同的限制在于只能准确测量平地或者坡度很小的地面上的物体的高度，对于处于坡度较大的上坡或者下坡地面上物体高度的测量只能通过两次测量高度后作差获得，这就增加了测量人员的工作量，而且也容易引入测量误差。【实用新型内容】
[0006]针对现状，本实用新型提供一种新型的手持测高器，本测高器是利用激光器、观察镜筒和霍尔传感器制作，能满足于各种场合的测量要求，是用于野外测量各种目标高度的一种小巧、耐用、高效的测量仪器。
[0007]为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案:一种手持测高器，其特征在于: 包括一手持杆，一转动杆，一U形夹持块，一激光器，一观察镜筒，两组霍尔传感器与磁钢的组合；
[0008]所述手持杆上端设一横向穿孔，横向穿孔内装滚动轴承，所述转动杆穿过横向穿孔；
[0009]所述转动杆一端与U形夹持块固定连接，另一端与所述激光器固定连接;所述观察镜筒通过顶针可摆动地安装在U形夹持块中间；
[0010]所述转动杆的轴线延长线与观察镜筒的观察线的交点，为所述观察镜筒的摆动支占.
[0011]所述转动杆的轴线与激光器的发射光轴的交点，为激光发射点；
[0012]所述观察镜筒的摆动支点与激光器的发射光轴在同一平面内，且观察镜筒的摆动支点到激光发射点的连线始终与激光器的发射光轴垂直，且观察镜筒的摆动支点到激光发射点的距离固定不变。
[0013]优选地，所述两组霍尔传感器与磁钢的组合，其中一组霍尔传感器与磁钢的组合中，霍尔传感器用胶黏在所述转动杆上，磁钢用胶黏在手持杆上;另一组霍尔传感器与磁钢的组合中，霍尔传感器用胶黏在所述观察镜筒上，磁钢用胶黏在U形夹持块上。
[0014]优选地，在所述观察镜筒中，在远目端设置一90°挡片，其顶点位于镜筒中心线上； 在近目端设置一360°挡片，在360°挡片中心开有一个微小圆孔，其圆心位于镜筒中心线上； 测量时，人眼通过微小圆孔观察，使远目端的挡片90°顶点与观察目标点重合。
[0015]优选地，在所述激光器的前方设置一会聚透镜。
[0016]本实用新型采取以上技术方案具有的有益效果是:1、仪器结构简单小巧，所用器件少，可手持操作。2、仪器成本低，直接成本约:线性霍尔传感器5元/个，磁钢1元/个，激光器60元/只，机械部分500元，AD转换器800元，其他100元。【附图说明】
[0017]图1是激光测距法的原理图；
[0018]图2是本发明的测高原理图；[〇〇19]图3a是本发明测高仪的结构主视示意图；[〇〇2〇]图3b是本发明测高仪的结构左视示意图；[0021 ]图3c是本发明测高仪的结构俯视示意图；
[0022]图4是观察镜筒摆动测量的示意图；[〇〇23]图5a是图3中A向视图，即从与观察者相对的方向看镜筒里部的局部放大图；
[0024]图5b是图3中B向视图，即从与观察者同方向看镜筒里部的局部放大图。
[0025]图中标号:1-手持杆，2-U形夹持块，3-观察镜筒，4-激光器，5-转动杆，6-轴承盖， 7_支架，8-第一霍尔传感器，9-第一磁钢，10-第二霍尔传感器，11-第二磁钢，12-滚动轴承， 13、14-顶针。【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述，但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本实用新型技术方案作的唯一限定，凡是在本技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本实用新型的保护范围。
[0027]本实用新型提供的一种手持式测高器，必然包括一激光器、一观察镜筒、能够测量激光器摆动角和观察镜筒摆动角的霍尔器件。在该仪器中，激光器可带动观察镜筒一起转动，并且观察镜筒还可独立摆动;激光器与观察镜筒的位置相对固定，即保持观察镜筒的摆动支点到激光器的距离一定，且观察镜筒的摆动支点到激光发射点的连线与激光器的发射光轴始终垂直且在同一平面内。如果用三维坐标系来形容该仪器中激光器和观察镜筒的运动，则可表示为，激光器带动观察镜筒一起绕水平轴转动，同时观察镜筒又可独立地在水平轴与激光发射光轴构成的平面内做平面摆动，两种运动的结合，覆盖立体空间，可以将激光器的照射点用观察镜筒观察到。两组霍尔器件分别装在激光器上和观察镜筒上。
[0028]这样设计的理由是，它可以实现如下一种测量方法:对于要测定的一个物体的高度，当无法直接测量时，如果我们能够知道某一点〇(这点是与测量者近距离的位置，可以是激光发射点)到该物体的最低点B的直线距离0B、到该物体的最高点C的直线距离0C，以及这两条直线所夹的夹角ZC0B，就可以利用三角形的余弦定理计算出物体的高度BC值了，如图 1所示。
[0029]测量时，让激光器先照射物体最低点B，再照射物体最高点C，同时计算激光器在此期间转过的角度，就是ZC0B。
[0030]而对于0B和0C的值，我们可以借助于激光器和观察镜筒来实现:
[0031]如图2所示，设A点是观察镜筒的摆动支点(观察镜筒可摆动，瞄准激光束的照射点)，设0点是激光发射点，如果我们保证摆动支点到激光发射点的距离固定不变，且0A连线始终与激光发射光轴处于同一平面内，同时0A连线始终与激光发射光轴(发射的激光束的方向，如图2中的0B方向)垂直。这样当我们要测量0B的距离时，0、A、B三点构成直角三角形， 就可以通过得知观察镜筒的摆动支点A与激光发射点0的距离0A，以及观察镜筒摆动对准测量点时，观察线与0A连线的夹角ZBA0,通过正切定理得到0B的值:
[0032]0B = 0A*tanZBA0[〇〇33]观察镜筒和激光器都安装在仪器上，所以0、A两点的距离方便测得；ZBA0是镜筒观察线与0A连线的夹角，也可以理解为观察镜筒从起始位转过的角度，在0、A位置固定的基础上，在仪器上安装测角器件，这个角度就可以方便测得。[〇〇34]利用同样方法也可获得0C的值。
[0035]我们的测高器就是应对这种方法而设计。[〇〇36]图3a_3c所示给出了本实用新型测高器的一种实施例结构。如图，该测高器主要包括手持杆1，U形夹持块2，观察镜筒3，激光器4，转动杆5，以及两组霍尔传感器与磁钢的组合。由于激光器和观察镜筒以及霍尔传感器等都不大，所以本实用新型小巧，质量轻，可以手持，操作很方便。[〇〇37]手持杆上端钻一横向穿孔，孔内装滚动轴承12,孔端部可安装轴承盖6,防止轴承滑脱，保护轴承。转动杆5穿过滚动轴承12及轴承盖6的中心孔，由手持杆支撑住。转动杆5— 端与U形夹持块2固定连接，转动杆5和U形夹持块2可以同步转动，形成仪器动作一。在转动杆5的另一端固定安装激光器4,激光器4的发射孔中心线(也即激光发射光轴)与转动杆5的轴线垂直相交且始终处于同一平面内，交叉点就定义为激光发射点。
[0038] U形夹持块2包括一块垂直连接板和两块平行板，其中垂直连接板与所述转动杆5 固定连接，而观察镜筒3通过顶针13、14安装在U形夹持块2的两块平行板之间。在观察镜筒的外壁上，对称开设两个锥形窝，锥形窝不穿透镜筒壁，因此不会破坏观察孔，在两个锥形窝中分别装入顶针13、14,顶针是由外部穿过U形夹持块2顶在锥形窝中，因此可以将观察镜筒连接在U形夹持块上。又由于是锥形窝，所以顶针和锥形窝之间可以发生相对转动，所以观察镜筒可以摆动，形成仪器动作二。[〇〇39]将转动杆5的轴线延长线与观察镜筒的观察孔中心线(即观察线)的交点定为观察镜筒的摆动支点(也就是顶针指向的位置)，摆动支点与激光器发射点的距离固定不变。同时，激光器4的发射孔中心线(即激光发射光轴)、转动杆5的轴线、观察镜筒3的观察孔中心线，都处于同一平面内。
[0040]由此可知，观察镜筒3的观察线、激光器4的发射光轴、转动杆5的轴线，三条线始终处在同一个平面内，且激光器4的发射光轴与转动杆5的轴线始终保持垂直，转动杆5的轴线与观察镜筒相交于摆动支点，这是保证测量的基础条件。[〇〇41]实际上这样做的原理就是观察镜筒3的摆动支点与激光器4的发射点之间的距离代表前述方法中的0A值，激光器4的发射光轴与转动杆5的轴线保持垂直就是保证0A与0B (0C)垂直。
[0042]仪器的动作一(转动转动杆5)是为了调整激光的角度，使激光对准目标点，仪器的动作二(摆动观察镜筒3)是为了调整观察镜筒的角度，使人眼透过镜筒对准目标点。动作一测量前述的ZC0B，动作二测量前述的ZBA0和ZCA0。[〇〇43]在测量角度的方法中，本实施例采用线性霍尔传感器与磁钢的互感来测量。霍尔传感器与永久磁钢配合工作，其特性是:磁钢与霍尔传感器相距适当的距离，磁钢的磁场施加于霍尔传感器，当有工作电压施加于霍尔传感器时，其输出端就会输出一个电压值;当磁钢与霍尔传感器间的间距发生变化时，磁通量发生变化，霍尔传感器感受磁通的变化，其输出电压就会发生变化，所以根据电压值的变化就可以反演出两者间距值的变化。利用此，我们就可以标定出相对确定的磁钢和霍尔传感器，两者之间距离通过对应的电压输出值建立一一的对应关系，以此作为参考，实际应用中，由查询相应的电压值就可反演出两者的距离变化。同理，在转动结构的场合，经过标定，也可以标定出霍尔传感器输出的电压值与磁钢和霍尔传感器之间相对转动的角度关系。
[0044]霍尔传感器的输出电压可以用高精度电压表测得，然后换算出相对于磁钢的转动角度值，或通过AD转换器转变成数字信号输入电脑，由软件处理后获得测量值。[〇〇45]所以，本实用新型设置两组线性霍尔传感器和永久磁钢的组合。如图3b所示，图3b 所示，其中一组是第一霍尔传感器8和第一磁钢9的组合，该组是用于检测激光器的转动角度。第一霍尔传感器8用胶黏在转动杆5上，第一霍尔传感器11用胶黏在轴承盖6上，或者相反安装也可以。还或者，磁钢和黏霍尔传感器其一固定在转动杆5上，另一个固定在手持杆1 的其他部位也可以，只要霍尔传感器能感受到磁通变化就行。霍尔传感器与磁钢相距一定的距离，这个距离在霍尔传感器的有效感应范围内就可以。当转动杆5摆动时，第一霍尔传感器8和第一磁钢9的间距就变化，使霍尔传感器的磁通发生改变。由于磁通变化，霍尔传感器的输出电压也将随之变化，通过检测该电压就可以获得转动杆5转过的角度，即激光器转过的角度。
[0046]这组组合用于检测前述的Z⑶B，即激光器在扫射物体最低点到最高点时转过的角度。设初始激光器初始位置时与水平向夹角为Zao,当激光器对准目标点B时，通过霍尔传感器输出的电压值换算得到激光器的角度变为当激光器对准目标点C时，通过输出的电压值换算得到角度变为Za2,则激光器的转动角度ZC0B为:
[0047]ZC0B= | (Za2-Za〇)-(Za1-Za〇) |[〇〇48]当然初始角度为0,即Za〇 = 0,计算较为简便。
[0049]另外一组是第二霍尔传感器10和第二磁钢11的组合，如图3c所示，这组组合是用于观察镜筒对准目标点B时测量ZBAO,以及观察镜筒对准目标点C时测量ZCAO。第二霍尔传感器10用胶黏在观察镜筒3上，第二磁钢11用胶黏在支架7上，支架7固定在U形夹持块2 上，或者两者反位置安装也可以。还或者，磁钢和霍尔传感器其一固定在观察镜筒3上，另一个直接固定在U形夹持块上或其他部位也可以，只要霍尔传感器能感受到磁通变化就行。霍尔传感器与磁钢相距一定的距离，这个距离在霍尔传感器的有效感应范围内就可以。工作中，当观察镜筒3转动时，第二霍尔传感器10和第二磁钢11的角度就发生相对变化，霍尔传感器8的输出电压也发生变化，从而检测出角度，道理同第一组霍尔传感器和磁钢。
[0050]以下说明前述ZBA0和ZCA0的检测方法。同样，设初始标定的第二霍尔传感器10 和第二磁钢11的角度为，当观察镜筒3对准目标点B时，如图4所示，测得第二霍尔传感器1 〇输出的电压值对应的角度为Z扮，则
[0051]ZBA0= | Zfo-ZPo|
[0052]当观察镜筒3对准目标点C时，测得第二霍尔传感器10输出的电压值对应的角度为 Z y 1，则
[0053]ZCA0= | Z y1-ZPo|[〇〇54]人眼观察时，观察镜筒的观察孔中心线是否与目标点完全对准，两者在一条直线上，也是测量的关键，其实质就是找准ZBA0和ZCA0。所以采取的办法是，结合图5a和图5b 看，观察镜筒3是中空的圆筒，在其两端各设置有形状不同的挡片:远目端为90°挡片，其顶点位于镜筒中心线，如图5a所示;近目端为一360°挡片，仅在挡片中心开有一个微小圆孔， 其圆心位于镜筒中心线上，如图5b所示。测量时，人眼通过微孔观察，使远目端的挡片90°顶点与观察目标点重合，实现镜筒轴线与观察目标成一直线。[〇〇55] 知道Z BA0和0A的值，利用三角函数公式可以计算出0B的长度；知道Z CA0和0A的值，利用三角函数公式可以计算出0C的长度。前述已经知道ZC0B的值，所以，利用三角函数公式可以计算出BC的长度，即物体的高度(B点和C点对应物体的最低点和最高点)。[〇〇56]本实用新型利用三角函数解算距离关系，结合新设计的仪器，通过可测得的参数换算出难于获得的参数，方法简单;在设备上，可以使用普通的激光器和观察镜筒，附加两组霍尔传感器和磁钢即可，手持也方便，成本也比较低，按目前市场价，约算线性霍尔传感器5元/个，磁钢1元/个，激光器60元/只，机械部分500元，AD转换器800元(或者不用)，其他 100元，合计成本在1500元左右，比目前市场所有同类功能产品价格低很多。[〇〇57]进一步地，在激光器的前方可设置一会聚透镜。远距离观察时，观察镜筒可使用高倍望远镜。
【主权项】
1.一种手持测高器，其特征在于:包括一手持杆，一转动杆，一 U形夹持块，一激光器，一 观察镜筒，两组霍尔传感器与磁钢的组合；所述手持杆上端设一横向穿孔，横向穿孔内装滚动轴承，所述转动杆穿过横向穿孔； 所述转动杆一端与U形夹持块固定连接，另一端与所述激光器固定连接;所述观察镜筒 通过顶针可摆动地安装在U形夹持块中间；所述转动杆的轴线延长线与观察镜筒的观察线的交点，为所述观察镜筒的摆动支点； 所述转动杆的轴线与激光器的发射光轴的交点，为激光发射点；所述观察镜筒的摆动支点与激光器的发射光轴在同一平面内，且观察镜筒的摆动支点 到激光发射点的连线始终与激光器的发射光轴垂直，且观察镜筒的摆动支点到激光发射点 的距离固定不变。2.根据权利要求1所述的手持测高器，其特征在于:所述两组霍尔传感器与磁钢的组 合，其中一组霍尔传感器与磁钢的组合中，霍尔传感器用胶黏在所述转动杆上，磁钢用胶黏 在手持杆上；另一组霍尔传感器与磁钢的组合中，霍尔传感器用胶黏在所述观察镜筒上，磁 钢用胶黏在U形夹持块上。3.根据权利要求1或2所述的手持测高器，其特征在于:在所述观察镜筒中，在远目端设 置一90°挡片，其顶点位于镜筒中心线上;在近目端设置一360°挡片，在360°挡片中心开有 一个微小圆孔，其圆心位于镜筒中心线上;测量时，人眼通过微小圆孔观察，使远目端的挡 片90°顶点与观察目标点重合。4.根据权利要求1或2所述的手持测高器，其特征在于:在所述激光器的前方设置一会聚透镜。
【文档编号】G01C3/22GK205691098SQ201620619879
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年6月22日 公开号201620619879.2, CN 201620619879, CN 205691098 U, CN 205691098U, CN-U-205691098, CN201620619879, CN201620619879.2, CN205691098 U, CN205691098U
【发明人】杨华, 郭文会, 刘瑜
【申请人】北京林业大学