一種角錐棱鏡坐標測量誤差的補償裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術提供一種角錐棱鏡坐標測量誤差的補償裝置，解決精密測量和全站儀激光大角度入射時棱鏡坐標測量精度較低的問題，用于棱鏡－全站儀坐標測量系統。該補償裝置包括棱鏡（１）、濾光鏡（２）、鏡頭（３）和光敏位置傳感器（４），所述棱鏡棱角處切有與棱鏡入射面平行的小口，所述光敏位置傳感器（４）的光敏面位于鏡頭（３）的焦平面上且與鏡頭（３）軸線垂直，所述光敏面的中心在鏡頭軸線上。本發明專利技術能較好地消除折射效應對棱鏡棱角坐標測量的影響，具有精度高、安裝和操作簡單等優點，可用于盾構測量、道路施工、地形測量等控制點測量領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種角錐棱鏡坐標測量誤差補償裝置，可用于盾構測量、道路施工、地形測量等控制點測量領域。
技術介紹
利用全站儀測定目標棱鏡點的坐標是坐標解析測量的主要方法。具有自動識別功能的全自動全站儀可以實現棱鏡目標的自動照準、鎖定跟蹤、自動測量和記錄，在動態跟蹤測量、自動測量、變形監測等方面有著廣闊的應用前景。反射棱鏡是構成全站儀系統的重要組成部分，其作用是使全站儀能精確照準目標和反射全站儀激光以實現目標點的角度、距離和位置測量。棱鏡的主要類型有角錐棱鏡、棱鏡片、360度棱鏡等。本專利技術涉及的是角錐棱鏡(或稱回歸反射器)，它是一種依據臨界角原理制造的內部全反射棱鏡，反射面為3個互相垂直的棱鏡面組成。它不受入射角度大小的影響，把入射光反射180度，即對于任一條進入通光孔徑的入射光線，都將被高效地按原方向反射回去。全站儀發射的激光垂直入射到角錐棱鏡后，由棱鏡的3個反射面反射并按原方向返回，由測量得到的入射光的水平角、俯仰角以及全站儀與目標棱鏡的距離計算出棱鏡棱角的坐標。如附圖1所示，當激光以一定角度α于A點斜入射到棱鏡玻璃體中時會產生折射現象此時按上述計算方法得到的點坐標是棱鏡棱角的像點坐標C，與棱鏡棱角B真實坐標存在偏差。通常認為，全站儀小角度入射棱鏡時折射對測點坐標影響不大。但是，在入射角較大或使用棱鏡作為目標照準點精密測量時，光線折射造成的誤差是不容忽視的。且該誤差為系統誤差，不能通過多次測量求均值的方法消除。當全站儀測距精度為1mm+1ppm時，入射激光以大角度入射造成的點坐標誤差可達3mm，而目前并無此類誤差的補償裝置。
技術實現思路
本專利技術提供一種角錐棱鏡坐標測量誤差的補償裝置，解決精密測量和全站儀激光大角度入射時棱鏡坐標測量精度較低的問題，用于棱鏡-全站儀坐標測量系統。該裝置可利用全站儀的測距激光測量激光對棱鏡的入射角度，結合棱鏡的幾何和物理參數，對傳統方法計算得到的棱鏡棱角坐標進行補償，提高棱鏡棱角坐標的測量精度。本專利技術提供的角錐棱鏡坐標測量誤差補償裝置，機箱內沿軸向在光路上依序裝有棱鏡、濾光鏡、鏡頭、光敏位置傳感器和傳輸模塊，其特征在于：所述光敏位置傳感器的光敏面位于鏡頭的焦平面上且與鏡頭軸線垂直，光敏位置傳感器光敏面的中心在鏡頭軸線上，其處理電路的輸出信號通過無線傳輸模塊送往計算機。所述鏡頭為凸透鏡或凸透鏡組。所述棱鏡和鏡頭之間設有濾光鏡；所述機箱密封、充氮。-->本專利技術的棱鏡棱角處切有與棱鏡入射面平行的小口，但不影響全站儀的測量。全站儀發射的激光經棱鏡反射后原路返回，測量得到全站儀與棱鏡的距離、激光的水平方位和垂直方位，計算可得棱鏡棱角的像點坐標；同時部分激光由棱鏡切口透過棱鏡，由于切口與棱鏡入射面平行，這部分激光兩次折射后與入射激光平行，經濾光鏡濾光后打在鏡頭上，經鏡頭聚焦，打在處于焦平面上的光敏位置傳感器上，產生感光數據，經處理得到光點在光敏位置傳感器坐標系下的坐標。此坐標由傳輸模塊通過標準異步串行通信接口送往外部計算機，結合鏡頭的焦距可計算得到透射激光相對光敏位置傳感器的方位角。由于透射激光與全站儀入射激光平行且光敏位置傳感器與棱鏡光軸垂直，所以得到的方位角即為全站儀入射激光相對棱鏡的入射角。最后根據此入射角補償全站儀測得的棱鏡棱角像點坐標，得到棱鏡棱角坐標的真實值。本專利技術主要用于測繪和施工過程中的控制點測量。如圖4，將機箱固定安裝在安裝架上并根據全站儀位置調整好機箱的俯仰角度，此時棱鏡所處位置即為目標控制點位置。安裝架由調平底座調平，使得機箱不會產生繞自身軸線的旋轉角。機箱中的棱鏡與全站儀之間應確保光路暢通，就可以利用全站儀激光測量棱鏡到全站儀的距離、激光的水平角和俯仰角以及激光對棱鏡的入射角，計算得到補償的棱鏡棱角坐標值。本專利技術能較好地消除折射效應對棱鏡棱角坐標測量的影響，具有精度高、安裝和操作簡單等優點，可用于盾構測量、道路施工、地形測量等控制點測量領域。附圖說明圖1為光路折射造成棱鏡坐標測量誤差的示意圖；圖2為本專利技術的實施例示意圖；圖3為本專利技術的光學原理圖。圖4為本專利技術的安裝圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本專利技術做進一步說明。如圖2，本專利技術的補償裝置包括棱鏡1、濾光鏡2、鏡頭3、光敏位置傳感器4和傳輸模塊5(優選為無線傳輸)，沿光路依序裝在所述補償裝置的機箱內。其中棱鏡1直徑φ60mm，棱鏡棱角處切有與棱鏡入射面平行的小口，該小口不影響全站儀的測量；濾光鏡2的透光率有10％，1％，0.1％幾種，可根據測量距離的變化更換濾光鏡，距離越遠，則濾光鏡透光率需要越高；鏡頭3為兩片凸透鏡組成的凸透鏡組，凸透鏡尺寸φ27mm，f＝35mm；光敏位置傳感器4的尺寸為1600像素×1200像素；所述光敏位置傳感器4的光敏面位于鏡頭3的焦平面上且與鏡頭3軸線垂直，光敏位置傳感器4的光敏面的中心在鏡頭3軸線上，光敏位置傳感器4的輸出信號通過傳輸模塊送往計算機。全站儀發射的部分激光經棱鏡1反射后原路返回，測量得到全站儀與棱鏡的距離、激光的水平方位和垂直方位，計算可得棱鏡棱角的像點坐標；同時，另外的部分激光由棱鏡1切口透過棱鏡1，由于切口與棱鏡1入射面平行，這部分激光兩次折射后與入射激光平行，經濾光鏡2濾光后打在鏡頭3上，經鏡頭3聚焦，打在處于鏡頭3焦平面上的光敏位置傳感器4上，產生感光數據，經處理得到光點在光敏位置傳感器坐標下的坐標，此坐標由-->傳輸模塊5通過標準異步串行通信接口送往外部計算機，結合鏡頭3的焦距可計算得到透射激光相對光敏位置傳感器4的方位角。由于透射激光與全站儀入射激光平行且光敏位置傳感器4與棱鏡光軸垂直，所以得到的方位角即為全站儀入射激光相對棱鏡1的入射角。最后根據此入射角補償全站儀測得的棱鏡棱角像點坐標，即可得到棱鏡棱角的真實值。考慮到實際應用，上述標準異步串行通信接口可采用RS-485。各部件安裝時加工精度要求達到設計精度：6級精度；機箱密封、充氮、防震。圖3為本專利技術的光學原理：全站儀O瞄準棱鏡棱角B點，它發射的激光通過一定角度入射到棱鏡1上的A點，經濾光鏡2濾光，由鏡頭3聚焦，在位于鏡頭3焦平面上的光敏位置傳感器4上匯集為一點，該點坐標可由光敏位置傳感器4的信號處理電路處理得到。設棱鏡1長度為H，折射率為n，鏡頭3的焦距為f，光線在光敏位置傳感器4上的匯聚點在光敏位置傳感器上的坐標為(u，v)，光線入射角為α(可分解為水平入射角p與垂直入射角q)，折射角為γ，由于打在鏡頭上的透射激光與全站儀入射激光平行，且光敏位置傳感器與棱鏡入射面平行，所以tanα=u2+v2f]]>tanp=uf]]>tanq=vf]]>此入射角就是產生棱鏡坐標測量誤差的來源。由光的折射定律，入射光線OA、折射光線AB以及法線n1在同一平面ABC內，則且sinαsinγ=n]]>設全站儀測量得到的全站儀與目標棱鏡距離為1，入射激光俯仰偏角為t，水平偏角為s。由全站儀測量數據得到的點坐標為x＝l?sin?t?cos?sy＝l?sin?t?sin?sz＝l?cos?s該坐標實際上是棱角B的像點C的坐標，則通過C點坐標計算得到棱鏡實際棱角B點的坐標(x’，y’，z’)。設機箱相對全站儀坐標系俯仰角為β(沿測量方向向上俯仰為正)，水平角為δ(沿測量方向本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種角錐棱鏡坐標測量誤差的補償裝置，用于對經全站儀測量的角錐棱鏡坐標測量值進行誤差補償，該補償裝置包括角錐棱鏡（１）、濾光鏡（２）、鏡頭（３）和光敏位置傳感器（４），所述角錐棱鏡棱角處切有與棱鏡入射面平行的小口，所述光敏位置傳感器（４）的光敏面位于鏡頭（３）的焦平面上且與鏡頭（３）軸線垂直，所述光敏面的中心在鏡頭軸線上；全站儀發射的入射激光經角錐棱鏡（１）反射后得到角錐棱鏡棱角的像點坐標，同時部分激光由角錐棱鏡（１）的小口透過角錐棱鏡（１），經濾光鏡（２）濾光后打在鏡頭（３）上，經鏡頭（３）聚焦后形成光點，打在光敏位置傳感器（４）上，產生的感光數據經處理得到該光點在光敏位置傳感器（４）坐標下的坐標，并計算得到透射的激光相對光敏位置傳感器（４）的方位角，即為全站儀入射激光相對角錐棱鏡（１）的入射角，根據此入射角補償全站儀測得的棱鏡棱角像點坐標，即可得到所述角錐棱鏡棱角值。

【技術特征摘要】
1.一種角錐棱鏡坐標測量誤差的補償裝置，用于對經全站儀測量的角錐棱鏡坐標測量值進行誤差補償，該補償裝置包括角錐棱鏡(1)、濾光鏡(2)、鏡頭(3)和光敏位置傳感器(4)，所述角錐棱鏡棱角處切有與棱鏡入射面平行的小口，所述光敏位置傳感器(4)的光敏面位于鏡頭(3)的焦平面上且與鏡頭(3)軸線垂直，所述光敏面的中心在鏡頭軸線上；全站儀發射的入射激光經角錐棱鏡(1)反射后得到角錐棱鏡棱角的像點坐標，同時部分激光由角錐棱鏡(1)的小口透過角錐棱鏡(1)，經濾光鏡(2)濾光后打在鏡頭(3)上，經鏡頭(3)聚焦后形成光點，打在光敏位置傳感器(4)上，產生的感光數據經處理得到該光點在光敏位置傳感器(4)坐標下的坐標，并計算得到透射的激光相對光敏位置傳感器(4)的方位角，即為全站儀入射激光相對角錐棱鏡(1)的入射角，根據此入射角補償全站儀測得的棱鏡棱角像點坐標，即可得到所述角錐棱鏡棱角值。2.根據權利要求1所述的一種角錐棱鏡坐標測量誤差的補償裝置，其特征在于，該補償裝置還包括傳輸模塊(5)，所述光點在光敏位置傳感器(4)坐標下的坐標經該傳輸模塊(5)傳輸到外部處理設備計算得到所述的方位角。3.根據權利要求1或2所述的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：朱國力，潘明華，邵濤，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：83[中國|武漢]