一種帶角度顯示的自動安平激光標(biāo)線儀

趙群國，朱宏軍

（1.常州市金天地儀器有限公司，江蘇 常州 213023；2.常州華達科捷光電儀器有限公司，江蘇 常州 213023）

0 引言

隨著激光標(biāo)線儀在基礎(chǔ)施工、裝修等領(lǐng)域的廣泛使用，傳統(tǒng)單一的水平標(biāo)定或垂直標(biāo)定不能滿足施工的要求。本儀器是在傳統(tǒng)帶旋轉(zhuǎn)體的標(biāo)線儀基礎(chǔ)上增加角度讀數(shù)系統(tǒng)，整體上運用了光學(xué)、電子學(xué)、機械學(xué)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)等綜合性儀器。

1 儀器的工作原理

本儀器是在現(xiàn)有帶旋轉(zhuǎn)體的標(biāo)線儀產(chǎn)品上增加角度讀數(shù)系統(tǒng)和顯示界面組成的新型儀器。

圖1 儀器的組成

1.1 自動安平激光標(biāo)線儀原理

激光標(biāo)線儀可輸出2 條互成90°夾角的十字激光交叉線和1 個下對點。由激光器發(fā)出的平行光束垂直投射到圓柱形玻璃棒上，經(jīng)兩次柱面折射后，形成與玻璃棒垂直的扇形出射平面。在其前方某一平面上投影，即可得到一條激光直線。

整體懸掛重力自動安平技術(shù)，是一種用萬向架將激光準(zhǔn)直器整體懸掛起來，以自動保持測量基準(zhǔn)精度的技術(shù)。當(dāng)萬向架軸系摩擦力很小，且被懸掛體重心與激光束重合時，作為基準(zhǔn)使用的鉛直向上或向下的平行激光束，即具有自動保持工作精度的能力，這時系統(tǒng)即使受外力擾動而作兩個自由度的擺動，最終也會靜止在原來的位置上，恢復(fù)工作精度，從而實現(xiàn)了重力自動安平。為使被懸掛體受擾動后迅速靜止，還需要設(shè)置阻尼器。

1.2 角度讀數(shù)原理

即利用光電識別技術(shù)、光柵讀數(shù)技術(shù)以及電子信號處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)組成的一套讀角系統(tǒng)，下文將主要闡述這方面。

1.3 LCD 顯示

即用低功耗的LCD 筆段液晶進行顯示，主要顯示角度，安平狀態(tài)。角度顯示為0～359°59′。

2 角度讀數(shù)系統(tǒng)原理

2.1 組成

讀數(shù)頭由光柵盤一塊、960nm 紅外檢測部件（1 個發(fā)射管、2 個接收管）一套和后續(xù)電信號處理部分。

光柵盤由黑白線條組成（1080 對）：

材料：可以用平整的PVC 厚0.5mm。可以采取用印刷方式印上黑白條紋。

直徑在60 mm，中心孔位固定在標(biāo)線儀底座上。

2.2 結(jié)構(gòu)布局

圖3 讀數(shù)頭布局圖

如圖3 所示，發(fā)光管在中心，2 個接收管在發(fā)光管兩側(cè)（接收發(fā)光管在光柵盤反射的光線）。光柵盤固定在激光標(biāo)線儀底座上的靜止部分，960nm 紅外檢測部件固定在激光標(biāo)線儀底座上的旋轉(zhuǎn)部分，使激光標(biāo)線儀在轉(zhuǎn)動的情況下能使接收管接收到強弱變化的光信號。

2.3 計數(shù)電信號分析及處理

960nm 紅外檢測部件的輸出信號：

圖4 接收信號圖

可以看到接收信號是兩個成90 度相位的弦波。

對于接收信號1 和接收信號2 的弦波進行整形，將弦波整形成方波如圖5 所示。

圖5 整形后的波形

當(dāng)激光標(biāo)線儀底座上的旋轉(zhuǎn)部分順時針旋轉(zhuǎn)，則可得到接收信號1 和接收信號2 正向轉(zhuǎn)動時的波形，如圖6 所示。

從圖6 中可以看出正向轉(zhuǎn)動時接收波形2 的方波上升沿在接收波形1 的高電平區(qū)；

當(dāng)激光標(biāo)線儀底座上的旋轉(zhuǎn)部分逆時針旋轉(zhuǎn)，則可得到接收信號1 和接收信號2（取反）反向轉(zhuǎn)動時的波形，如圖7 所示。

圖6 正向轉(zhuǎn)動時波形

圖7 反向轉(zhuǎn)動時波形

從圖7 中可以看出反向轉(zhuǎn)動時接收信號2（取反）的方波上升沿在接收波形1 的高電平區(qū)。

設(shè)置2 個計數(shù)器，一路計正向轉(zhuǎn)動數(shù)值A(chǔ)1，另一路計反向轉(zhuǎn)動數(shù)值A(chǔ)2，二數(shù)值相差A(yù)=A1-A2 就是我們所要計算的轉(zhuǎn)動位置。其中A，A1，A2 的最大值就是光柵的黑或白條紋數(shù)值B。當(dāng)A1＜A2 時，可以用A=B+A1-A2，當(dāng)A=B 時，A 值取0。

雖然此方法可以計算出標(biāo)線儀旋轉(zhuǎn)的角度，但計算出來的角度精度比較低，例如當(dāng)黑白條紋為1080 線時，每個脈沖對應(yīng)的角度為360°/1080=20′，此角度精度較低，將其稱為大數(shù)值A(chǔ)。如要得到更高的角度測量精度，需要進行細(xì)分處理。

將得到接收信號弦波劃分成如圖8 所示的4 個區(qū)間，即1 區(qū)、2 區(qū)、3 區(qū)和4 區(qū)，這樣可以將數(shù)值精度提高4 倍，即20′/4=5′。

圖8 波形分區(qū)圖

當(dāng)接收信號1 在1 區(qū)時，用ADC 采集其信號值R，（假設(shè)弦波信號的最大ADC 數(shù)值為S，其由發(fā)光管和接收管的設(shè)定參數(shù)所決定）用反正弦可以計算出在此區(qū)間任意點C 的數(shù)值，從而推出小數(shù)值X：

同理根據(jù)公式（1）可以得到2 區(qū)、3 區(qū)和4 區(qū)的數(shù)值。其精度取決于ADC 采樣精度，X 被稱為小數(shù)值。

綜上，就可以測得旋轉(zhuǎn)角度M=A+X。

3 控制系統(tǒng)

激光標(biāo)線儀自動安平方式采用重力和萬向輪方式。電路控制系統(tǒng)方框圖如圖9 所示。

LCD 顯示與按鍵。LCD 顯示的是轉(zhuǎn)動的實時角度值；按鍵包括：角度置零鍵，可以將儀器在任意位置設(shè)成零度起始角，（以鉛垂線為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)工程要求而設(shè)定），從而進行有效的放樣和測量。

圖9 電路控制系統(tǒng)

4 結(jié)論

經(jīng)過初步測試，采用1080 線的光柵，測角精度可以達到1′以內(nèi)。如果提高機械加工精度、加強調(diào)試工藝以及ADC 采樣精度，測角精度可以達到30″精度。