一種帶角度顯示的自動安平激光標線儀

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

隨著激光標線儀在基礎施工、裝修等領域的廣泛使用，傳統單一的水平標定或垂直標定不能滿足施工的要求。本儀器是在傳統帶旋轉體的標線儀基礎上增加角度讀數系統，整體上運用了光學、電子學、機械學及數據處理技術等綜合性儀器。

1 儀器的工作原理

本儀器是在現有帶旋轉體的標線儀產品上增加角度讀數系統和顯示界面組成的新型儀器。

圖1 儀器的組成

1.1 自動安平激光標線儀原理

激光標線儀可輸出2 條互成90°夾角的十字激光交叉線和1 個下對點。由激光器發出的平行光束垂直投射到圓柱形玻璃棒上，經兩次柱面折射后，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，是一種用萬向架將激光準直器整體懸掛起來，以自動保持測量基準精度的技術。當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，恢復工作精度，從而實現了重力自動安平。為使被懸掛體受擾動后迅速靜止，還需要設置阻尼器。

1.2 角度讀數原理

即利用光電識別技術、光柵讀數技術以及電子信號處理和數據處理技術組成的一套讀角系統，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。角度顯示為0～359°59′。

2 角度讀數系統原理

2.1 組成

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

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，中心孔位固定在標線儀底座上。

2.2 結構布局

圖3 讀數頭布局圖

如圖3 所示，發光管在中心，2 個接收管在發光管兩側（接收發光管在光柵盤反射的光線）。光柵盤固定在激光標線儀底座上的靜止部分，960nm 紅外檢測部件固定在激光標線儀底座上的旋轉部分，使激光標線儀在轉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

當激光標線儀底座上的旋轉部分順時針旋轉，則可得到接收信號1 和接收信號2 正向轉動時的波形，如圖6 所示。

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

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

圖6 正向轉動時波形

圖7 反向轉動時波形

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

設置2 個計數器，一路計正向轉動數值A1，另一路計反向轉動數值A2，二數值相差A=A1-A2 就是我們所要計算的轉動位置。其中A，A1，A2 的最大值就是光柵的黑或白條紋數值B。當A1＜A2 時，可以用A=B+A1-A2，當A=B 時，A 值取0。

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

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

圖8 波形分區圖

當接收信號1 在1 區時，用ADC 采集其信號值R，（假設弦波信號的最大ADC 數值為S，其由發光管和接收管的設定參數所決定）用反正弦可以計算出在此區間任意點C 的數值，從而推出小數值X：

同理根據公式（1）可以得到2 區、3 區和4 區的數值。其精度取決于ADC 采樣精度，X 被稱為小數值。

綜上，就可以測得旋轉角度M=A+X。

3 控制系統

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

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

圖9 電路控制系統

4 結論

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