一种可以测量三维长度和角度的拉绳传感器的制作方法

1.本发明涉及拉绳传感器领域，特别是涉及一种可以测量三维长度和角度的拉绳传感器。


背景技术：

2.传统的拉绳传感器，是一种测量一维长度的设备。
3.拉绳传感器主要由一个能提供拉绳拉力的绕线机构，一个通过测量绕线系统转动角度量并换算成长度的计量机构组成。传统的拉绳传感器只有单一的长度测量功能，除此之外，还有一种长角传感器，通过在拉绳传感器上再整合一个倾角传感器，可以同时实现长度测量和倾斜角度测量。
4.长角传感器的局限在于，第一、它仅能提供垂直方向的角度测量，第二、长角传感器需要保证拉绳拉出方向和被测物体具有非常高的平行度，对安装的要求较高，它只能算部分实现对直线长度和铅垂面角度的测量，对于不规则物体或者非铅锤面倾斜的物体完全无法使用。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，为此我们提出了一种可以测量三维长度和角度的拉绳传感器，就是使拉绳传感器具有三维层面的长度和角度测量功能，配合数据接收和数据处理设备，能完成三维方向任意点的长度角度测量和空间建模，解决了背景技术中提出的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种可以测量三维长度和角度的拉绳传感器，包括底座，所述底座顶部的背面连通有后侧板，所述底座顶部的正面安装有前侧板，所述前侧板的背面安装有第一角度传感器，所述第一角度传感器的背面安装有传感器轴，所述后侧板的正面安装有定位轴，所述定位轴的前端与传感器轴相连；
7.其中，所述定位轴的正面铰接有绕线轮，所述绕线轮上盘绕有拉绳，且绕线轮的正面与传感器轴固定。
8.优选的，所述定位轴上套设有倾角底板，所述倾角底板上安装有联动杆，所述联动杆远离倾角底板的一端套设于拉绳上。
9.优选的，所述倾角底板上安装有测量倾角底板转动角度的倾角传感器，且倾角底板上安装有配平元器件，所述配平元器件、倾角传感器以定位轴为轴心对称分布。
10.优选的，所述拉绳远离绕线轮的一端连接有拉环。
11.优选的，所述拉绳的最长距离为两百米。
12.优选的，所述底座的顶部安装有两个水平仪，且两个水平仪俯视的横截面呈相互垂直摆放。
13.优选的，所述底座的底部设置有第二角度传感器，所述第二角度传感器的测量轴贯穿并与底座的底部固定连接。
14.优选的，所述定位轴、传感器轴均为导电材料，且定位轴上套设有导电滑环。
15.优选的，一种可以测量三维长度和角度的拉绳传感器，还包括统计、处理及收发数据的数据处理单元、使用者持有的通信设备，所述数据处理单元包括数据处理模块、显示屏及数据收发模块，所述数据处理模块的信息输送端分别与显示屏、数据收发模块相连，所述数据收发模块内安装有蓝牙，所述数据收发模块通过蓝牙将信息发送至使用者持有的通信设备。
16.优选的，所述数据处理模块信息接收端连接有三组信号线，三组所述信号线分别与第一角度传感器、导电滑环及第二角度传感器相连。
17.与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：
18.1、该装置能够通过第一角度传感器、倾角底板、第二角度传感器配合操作，一个一维的拉绳传感器，可以成功用于三维测量，更多的测试点，还可以进行复杂形状的建模，让绕线轮可以实现具有三维层面的长度和角度测量功能，配合数据处理单元，能完成三维方向任意点的长度角度测量和空间建模。
19.2、该装置整体设计巧妙，装置体积较小，可以随意地携带、运输，拆卸和组装都较为方便，并且在使用时固定在任何位置均可，可以自行地去调节整体的水平以减小整体的误差，对于空间上高度、角度以及方向的调节都更加方便，并且操作者无论将拉环拉向任何地点，均可以远程接收信息数据。
附图说明
20.图1为本发明第一视角的立体结构示意图；
21.图2为本发明第二视角的立体结构示意图；
22.图3为本发明第三视角的立体结构示意图；
23.图4为本发明数据处理单元的工作流程图；
24.图5为本发明进行实际三维测试的原理图；
25.图6为本发明拉绳拉出方向和倾角传感器读数换算的原理图。
26.图中：1、底座；11、后侧板；12、前侧板；2、第一角度传感器；21、传感器轴；3、定位轴；31、导电滑环；4、倾角底板；41、联动杆；42、倾角传感器；43、配平元器件；5、绕线轮；51、拉绳；52、拉环；6、水平仪；7、第二角度传感器；8、数据处理单元；81、数据处理模块；82、显示屏；83、数据收发模块；84、信号线。
具体实施方式
27.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
28.如图1-6所示，一种可以测量三维长度和角度的拉绳传感器，包括底座1，底座1顶部的背面连通有后侧板11，底座1顶部的正面安装有前侧板12，前侧板12的背面安装有第一角度传感器2，第一角度传感器2的背面安装有传感器轴21，后侧板11的正面安装有定位轴
3，定位轴3的前端与传感器轴21相连；
29.其中，定位轴3的正面铰接有绕线轮5，绕线轮5上盘绕有拉绳51，且绕线轮5的正面与传感器轴21固定。
30.在本实施例中，定位轴3上套设有倾角底板4，倾角底板4上安装有联动杆41，联动杆41远离倾角底板4的一端套设于拉绳51上。
31.在本实施例中，倾角底板4上安装有测量倾角底板4转动角度的倾角传感器42，且倾角底板4上安装有配平元器件43，配平元器件43、倾角传感器42以定位轴3为轴心对称分布。
32.在本实施例中，拉绳51远离绕线轮5的一端连接有拉环52。
33.在本实施例中，拉绳51的最长距离为两百米。
34.在本实施例中，底座1的顶部安装有两个水平仪6，且两个水平仪6俯视的横截面呈相互垂直摆放。
35.在本实施例中，底座1的底部设置有第二角度传感器7，第二角度传感器7的测量轴贯穿并与底座1的底部固定连接。
36.在本实施例中，定位轴3、传感器轴21均为导电材料，且定位轴3上套设有导电滑环31。
37.在本实施例中，一种可以测量三维长度和角度的拉绳传感器，还包括统计、处理及收发数据的数据处理单元8、使用者持有的通信设备，数据处理单元8包括数据处理模块81、显示屏82及数据收发模块83，数据处理模块81的信息输送端分别与显示屏82、数据收发模块83相连，数据收发模块83内安装有蓝牙，数据收发模块83通过蓝牙将信息发送至使用者持有的通信设备。
38.在本实施例中，数据处理模块81信息接收端连接有三组信号线84，三组信号线84分别与第一角度传感器2、导电滑环31及第二角度传感器7相连。
39.进一步的，绕线轮5的内部和固定的定位轴3之间还有一个卷簧k。卷簧k的一端固定在定位轴3上，另一端固定在绕线轮的内侧壁上，卷簧k的存在，可以使绕线轮b始终有一个和拉绳拉动方向相抗衡的扭矩，这样可以使拉绳始终保持一定的拉力，拉绳拉出的时候才能始终维持直线状态。
40.进一步的，倾角底板4通过轴承f装在固定轴β上，加入了轴承，能够增加倾角底板4与定位轴3连接的稳定性。
41.进一步的，显示屏82可以选择电子显示屏、液晶显示屏以及其他记录或者显示数据的元器件。
42.对于该测量三维长度和角度的拉绳传感器，使用、安装过程如下：
43.绕线轮5上的拉绳51就缠绕在绕线轮5表面上，绕线轮5和第一角度传感器2的传感器轴21刚性连接，这样拉动拉绳的时候，b的转动就会带动传感器轴21同步转动，这样第一角度传感器2可以通过检测传感器轴21的转动角度，乘以绕线轮5的直径再乘以π，即可算出拉绳51被拉出的长度；
44.绕线轮5的传感器轴21和定位轴3保持同轴，倾角底板4是一个可以绕定位轴3自由转动的结构，倾角底板4的作用是检测拉绳51拉动方向的倾角。
45.配平元器件43是为了使拉绳没有拉动的时候，能够与在倾角底板4上的倾角传感
器42对称并且重力平衡，这样可以让倾角底板4没有自然转动趋势，并且配平元器件43可以更换为同等重量的电子元件比如单片机，兼顾了倾角信号的处理和配平功能。
46.倾角底板4的一端，通过一个与联动杆41套入拉绳51上，这样当拉绳51的拉动方向在铅垂面变化的时候，倾角底板4也能在铅锤面方向跟着俯仰转动，导电滑环31安装在定位轴3上，导电滑环31的作用是将倾角底板4采集到的倾角电信号，通过导电滑环31引出给数据处理单元8，这样，无论倾角底板4如何俯仰转动，都不会出现信号线84拉扯倾角底板4或信号线84与定位轴3缠绕的现象，使用时，拉动拉环52带动绕线轮5拉动拉绳51，当拉绳51角度俯仰变化的时候，通过联动杆41带动倾角底板4俯仰变化，贴装在倾角底板4上的配平元器件43实时测的倾角底板4的倾角角度，减去固定的偏差角(偏差角的计算见附录一)，就能得到拉绳51的俯仰角度，底座1通过与第二角度传感器7相连，底座1在水平方向的转动时，就能被第二角度传感器7识别和读取水平转动角度，两个水平仪6能够通过其内部水珠的移动，可以粗调底座1水平角，使底座1保持水平时，第二角度传感器7测得的水平转动角度精度就越高。
47.在数据处理单元8内，数据处理模块81是收集并处理各种数据(例如倾角传感器42、第一角度传感器2等)，并将结果提交显示屏82或数据收发模块83，显示屏82可以让操作人员明确了解到实际的数据内容，而数据收发模块83可以将数据发送给拉动拉环52端的操作人员，便于单人操作。
48.根据本发明的工作原理，进行实际操作：(参阅图5)
49.假设把该装置安装在如图左下角处，a和b是两个待测量点；
50.第一步，观察两个水平仪6，粗调底座1水平，然后整体相对固定不动；
51.第二步，拉动拉环52的一端到a，这时通过转动读取绕线轮5的总转动角度，通过公式：总长度＝总角度
÷
360
°×
2πr，求得拉绳(51)被拉出的长度l1；通过倾角传感器42的读数，减去固定不变的修正量(修正量可以如附图6所示方法，在校准时得到)，得到拉绳从o到a的倾角θ1。有了l1和θ1，通过三角函数就可以得到a点的相对于o点的高程h1；
52.第三步，拉动拉绳51的一端到b处，这时按照第二步的方法，可以得到拉绳长度l2，和o点b点倾角θ2，并进而算得b点相对于o点的高程h2；
53.第四步，记录拉绳从a点到b点的过程中，第二角度传感器7测得的转动角度，也就是水平角γ。
54.第五步，综合计算，有了上述测试数据，就可以通过三角函数综合计算a点和b点的长度；a点和b点的高差(可以用于判断a点和b点的水平度)；a点和b点相对于o点的张角等等信息。
55.这样，一个一维的拉绳传感器，可以成功用于三维测量，更多的测试点，还可以进行复杂形状的建模，将这些数据通过数据处理单元8发送给操作者进行记录和统计。
56.进一步的，关于拉绳拉出方向和倾角传感器读数的换算，参阅附图6，在附图6中，上图的字母标注含义基本同附图2，β是图1的定位轴3；d是倾角传感器42；c是倾角底板4；e是配平元器件43；g是联动杆41始终套着拉绳51；r是绕线轮5的半径；
57.附图6两条水平虚线，都是绝对水平线。
58.定位轴3，拉绳51和绕线轮5相切的点，以及联动杆41和拉绳51的接触点g共同构成了一个直角三角形；β到g的长度是固定不变的，r也是不变的，所以我们可以求得固定不变
的角度δ；
59.根据水平虚线所示，我们知道δ＝λ+θ，θ可以由d直接读出，所以拉绳51的倾角λ＝δ-θ，就可以求出来了。这个公式里面，拉绳51的倾角只和一个变量θ有关，其他都是常数。
60.并且上述所有已经提到的电子元器件均可以选用现有技术中可以购买到、在该领域可以使用到、可以实现对应功能的电子元件，具体型号、大小以及连接方式可以根据实际进行选择(例如数据收发模块83可以选择蓝牙、也可以选择无线电或者其他无线信号传输方式进行连接均可)。
61.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
62.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。