CN104931018A - 基于绝对测距的一维倾角非接触测量方法与*** - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可以实现一维倾角非接触测量的方法及***。采用若干个具有绝对测距功能的非接触位移传感器，同时对安置于被测目标的测量平板进行测量，通过对各个位移传感器位移值的数据处理，最终可以直接得到一维倾角测量结果。所有位移传感器均应布置在同一条直线上，该直线与被测目标的回转中心线正交。通过分段测量和自动切换技术实现较大范围的倾角测量。数据处理方法可以采用双传感器的梯度算法、多传感器的平均值法和加权平均值法。该方法可以免除倾角传感器直接安装在被测目标的弊端，而且测量结果与测量平板与被测目标回转轴线的偏心距无关。

Description

基于绝对测距的一维倾角非接触测量方法与***

技术领域

本发明涉及的是一种几何量测量技术领域的方法与***，具体是一种基于绝对测距的一维倾角非接触测量方法与***。

背景技术

倾角是指一个平面相对于基准平面（一般值水平面）的夹角。测量倾角的仪器称为倾角仪或者水平仪。倾角是几何量领域的常见测量项目之一。目前，在国民经济众多领域，都有各种各样的倾角测量需求。常规的倾角测量方法，主要以磁阻传感器测量本体相对于地磁场的方位来实现倾角测量。这种方法的优点是操作简单、使用方便，可测量一维或二维倾角。

    但是这种方法存在一些明显的问题与不足，特别是传统倾角传感器/倾角仪必须直接安装在被测目标的工作面上，并随被测目标一起转动，测量方式属于接触式测量。其带来的问题是：（1）将倾角传感器安置于被测目标之上将有可能对被测目标的运动性能产生严重的影响。特别是当被测目标体积较小、重量较轻的情况下，这种影响会尤为严重，甚至根本无法实现测量。（2）将倾角传感器安装与被测目标之上，势必要求在被测目标本体上加工螺纹孔用于固定倾角传感器，这将破坏被测目标的原有特性和损坏。（3）传统倾角传感器一般采用电缆将测量结果传输到上位机，而在被测目标转动过程中将不可避免地产生电缆拖曳现象，明显不合理。上述这些问题也是目前绝大部分的倾角传感器/倾角仪的通病。

发明内容

本发明的目的在于针对现有倾角传感器/倾角仪的接触测量问题，提出一种可以实现一维倾角非接触测量的方法及***。该方法是采用若干个具有绝对测距功能的非接触位移传感器，同时对安置于被测目标工作面的测量平板进行测量，通过对所有位移传感器位移值的数据进行处理，最终可以得到一维倾角测量结果。这种方法可实现倾角的非接触高精度测量，轻薄的测量平板对被测目标的运动特性基本没有影响。该方法的测量结果与测量平板与被测目标回转轴线的偏心距无关，因此无需测定此偏心距，方便实际应用。

    本发明是通过以下技术方案实现的：

    本发明的倾角非接触测量***主要包括：若干位移传感器、一个测量平板、一个测量支架、一个控制***以及电缆。测量平板被安置于被测目标上，可与被测目标的工作面平行，也可以不平行。位移传感器安置于测量支架之上，每个传感器的测量线互相平行，并且所有测量线均对准测量平板，每个位移传感器的测量值通过电缆输送到控制***。控制***一般置于被测目标附近。当被测目标处于任一空间姿态位置时，在控制***的统一控制下，所有传感器同步获取与测量平板之间的距离值，并通过电缆送入控制***进行数据处理，通过计算得到测量平板即被测目标的一维倾角值。

    本发明的位移传感器的特殊之处在于，本发明的位移传感器是具有绝对测距功能的非接触位移传感器，例如激光位移传感器、激光测距传感器、电涡流位移传感器、电容位移传感器等。具***移传感器的选择，取决于倾角测量范围和传感器之间的间距。对于倾角范围较大、传感器间距较大的场合，应采用测量范围较大的绝对位移传感器，例如激光位移传感器、激光测距传感器等。对于倾角范围较小、传感器间距较小的场合，应采用测量范围较小的绝对位移传感器，例如电涡流位移传感器、电容位移传感器等。

    本发明的位移传感器的数量最少为2个，所有位移传感器均应布置在同一条直线上，该直线与被测目标的回转中心线正交。

    本发明的测量支架的主要作用，是支撑各个传感器，使之保持确定的方向和位置。本发明的测量支架的特殊之处在于，测量支架本身具有定位功能，可以保证各个位移传感器之间的间距处于理想位置，对于一般精度而言可以免除标定过程。

    本发明的测量平板的作用，是提供足够大小与精度的测量平面，保证倾角的准确测量。本发明的测量平板的形状可为长方形或者其他形状。本发明的测量平板所在平面可以与被测目标的工作面平行，也可以不平行，没有特殊要求和限制。

    本发明的测量平板的大小取决于倾角变化范围、传感器间距以及测量平板与被测目标回转轴线的偏心距，倾角变化范围越大、传感器间距越大、测量平板与被测目标回转轴线的偏心距越大，所需的测量平板的尺寸也就越大。

    对于空间有限值的场合，不能采用较大尺寸的测量平面，本发明的测量平板可以采用轻质材料和较小的厚度，从而保证对被测目标的运动特性基本没有影响。为例减小测量平板的变形，可以在测量平板的背面加装若干加强筋。根据采用的位移传感器的不同，本发明需要选用具有不同表面特性的测量平板。根据不同的倾角测量精度要求，本发明的测量平板需要具有不同的平面度要求。

    对于某些特殊场合，由于空间所限无法使用较大尺寸的测量平板。针对这种情况，本发明采用多个位移传感器和小尺寸测量平板，通过分段测量和自动切换技术实现较大测量范围的倾角测量。

    本发明提出用于上述倾角非接触测量***的数据处理方法。当采用的位移传感器数量不同时，相应的数据处理方法也有所不同。

    对于采用2个位移传感器测量一维倾角的情形，本发明的数据处理方法是：直接利用两个位移传感器位移差与两个传感器间距之比来计算倾角。

    对于采用3个及以上位移传感器测量一维倾角的情形，本发明的数据处理方法是：分别利用任意两个位移传感器位移差与两个传感器间距之比来计算出一个倾角值，然后将所有的倾角值取平均，以平均值作为最后的倾角测量结果。特别地，本发明采用所有倾角值的加权算术平均值作为最终倾角测量结果，每个倾角值的权就是该倾角值所对应的两个位移传感器的间距。

    附图说明 

    下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

    图1为本发明的二维倾角非接触测量***组成示意图；

    图2为本发明的双传感器一维倾角测量***组成原理示意图；

    图3为本发明的四传感器一维倾角测量***组成原理示意图；

    图4为本发明的四传感器和小尺寸测量平板的一维倾角测量***组成原理示意图；

    图5为本发明的具有加强筋的测量平板结构示意图；

图中，1为位移传感器，2为测量支架，3为控制***，4为测量平板，5为被测目标，6为传输电缆，7为加强筋。

    具体实施方式 

    下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

    本发明的倾角非接触测量***的组成如图1所示。测量***主要包括：若干位移传感器1、一个测量平板4、一个测量支架2、一个控制***3和传输电缆6。测量平板4被安置于被测目标5上。位移传感器1安置于测量支架2之上，每个位移传感器1之间的测量线互相平行，并且所有测量线均对准测量平板4，每个位移传感器1的输出通过电缆6输送到控制***3。控制***一般置于被测目标5附近。当被测目标5处于任何空间姿态位置时，在控制***3的统一控制下，所有传感器1同步获取位移传感器1与测量平板4之间的距离值，并通过电缆6送入控制***3中进行数据处理，通过计算得到测量平板4即被测目标5的倾角值。

    该方法可以实现倾角的非接触测量，对被测目标5的性能基本没有影响，而且该方法的测量结果与测量平板4与被测目标5回转轴线的偏心距无关，因此无需测定此偏心距，方便实际应用。

    本发明的位移传感器1的特殊之处在于，位移传感器1是具有绝对测距功能的非接触位移传感器，例如激光位移传感器、激光测距传感器、电涡流位移传感器、电容位移传感器等。具***移传感器1的选择，取决于倾角测量范围和传感器之间的间距。对于倾角范围较大、传感器间距较大的场合，应采用测量范围较大的绝对位移传感器，例如激光位移传感器、激光测距传感器等，其位移测量范围可达几十mm至几百mm甚至更大。对于倾角范围较小、传感器间距较小的场合，应采用测量范围较小的绝对位移传感器，例如电涡流位移传感器、电容位移传感器等，其位移测量范围可达几mm至几十mm。

    本发明的位移传感器1的数量最少为2个。所有位移传感器1均应布置在同一条直线上，该直线与被测目标5的回转中心线正交。图2所示为采用2个位移传感器的一维倾角测量***组成示意图，两个位移传感器Sensor1和Sensor2处于同一直线M-Line上，该直线M-Line与被测目标5的回转中心线y正交。图3所示为采用4个位移传感器的一维倾角测量***组成示意图，4个位移传感器Sensor1、Sensor2、 Sensor3和Sensor4处于同一直线M-Line上，该直线M-Line与被测目标5的回转中心线y正交。

    本发明的测量支架2的主要作用，是支撑各个位移传感器1，使之保持确定的方向和位置。本发明的测量支架2的特殊之处在于，测量支架2本身具有定位功能，例如凹槽、台阶、圆孔等，可以保证各个位移传感器1之间的间距处于理想位置，对于一般精度而言可以免除标定过程。

    本发明的测量平板4的作用，是提供足够大小与精度的测量平面，保证倾角的准确测量。本发明的测量平板4的形状可为长方形或者其他形状。本发明的测量平板4所在平面可以与被测目标5的工作面平行，也可以不平行，没有特殊要求与限制。

    本发明的测量平板4的大小，主要取决于倾角变化范围θ、传感器间距L以及测量平板4与被测目标5回转轴线的偏心距e。以图2所示双位移传感器测量一维倾角为例，所需测量平板4的最大尺寸为：

                 D_max=(L+2esinθ)/cosθ

显然，倾角变化范围θ越大、传感器间距L越大、测量平板4与被测目标5回转轴线的偏心距e越大，所需的测量平板4的尺寸也就越大。

    为例保证对被测目标的运动特性基本没有影响，本发明的测量平板4采用轻质材料，例如铝合金、有机玻璃等材料。

    本发明的测量平板4采用较小的厚度，为例减小测量平板4的变形，可以在测量平板4的背面加装若干加强筋7。如图5所示，对于长方形测量平板4，在背面设置了4条加强筋，其中两条长的加强筋布置在测量平板4的长边方向，两条短的加强筋布置在测量平板4的短边方向。

    本发明根据采用的位移传感器1的种类不同，需要选用具有不同表面特性的测量平板4。例如，对于激光位移传感器，需要采用具有漫反射或者亚光表面特性的测量平板4。

    本发明的测量平板4需要具有一定的平面度精度要求。根据不同的倾角测量精度要求，测量平板4需要具有不同的平面度要求。倾角测量精度要求越高，对测量平板4的平面度要求也越高。假设倾角测量精度为±Δθ，两个传感器的间隔为L，则测量平板的平面度要求应为：

             Δ=±LtanΔθ

    对于某些特殊场合，由于空间所限无法使用较大尺寸的测量平板4。针对这种情况，本发明采用多个位移传感器1和小尺寸测量平板4，通过分段测量和自动切换技术实现较大测量范围的倾角测量。图4为本发明的四传感器和小尺寸测量平板的一维倾角测量***组成原理示意图。当倾角为-10~+10度以内的范围变化时，可以采用4个位移传感器Sensor1、Sensor2、 Sensor3和Sensor4进行测量；当倾角为10~45度以内范围变化时，可以采用3个位移传感器Sensor2、 Sensor3和Sensor4进行测量；当倾角为超过45度以外范围变化时，可以采用2个位移传感器Sensor3和Sensor4进行测量。

    本发明提出用于上述一维倾角非接触测量***的数据处理方法。当采用的位移传感器1的数量不同时，相应的数据处理方法也有所不同。

    对于采用2个位移传感器测量一维倾角的情形，本发明的数据处理方法是：直接利用两个位移传感器位移差与两个位移传感器间距之比来计算倾角，即梯度算法。以图2所示双传感器一维倾角测量***为例，两个位移传感器Sensor1和Sensor2的位移分别为s1和s2，两个位移传感器间距为L，则倾角计算公式为：

             θ=arctan[(S1-S2)/L]

    对于采用3个及以上位移传感器1测量一维倾角的情形，本发明的数据处理方法是：分别利用任意两个位移传感器位移差与两个传感器间距之比来计算出一个倾角值，然后将所有的倾角值取平均，以平均值作为最后的倾角测量结果。以图3所示的4传感器一维倾角测量***为例，4个位移传感器Sensor1、Sensor2 、Sensor3和Sensor4的位移分别为s1、s2、s3和s4，相邻两个位移传感器间距均为L，则可以得到6个倾角值为：

             θ12=arctan[(S1-S2)/L]

             θ23=arctan[(S2-S3)/L]

             θ34=arctan[(S3-S4)/L]

             θ13=arctan[(S1-S3)/2L]

             θ24=arctan[(S2-S4)/2L]

             θ14=arctan[(S1-S4)/3L]

    则最终的被测目标5的倾角测量结果可取为上述所有倾角值的平均值：

             θ=(θ12+θ23+θ34+θ13+θ24+θ14)/6

    特别地，本发明还提出一种加权平均计算方法，即采用所有倾角值的加权算术平均值作为最终倾角测量结果，每个倾角值的权就是该倾角值所对应的两个位移传感器1的间距。以图3所示的4传感器一维倾角测量***为例，上述过程获得的6个倾角值θ12、θ23、θ34、θ13、θ24 和θ14所对应的两个位移传感器的间距分别是L、L、L、2L、2L和3L，因此这6个倾角值的权分别为1、1、1、2、2和3，总的权值之和为10。由此可得最终的倾角加权算术平均值为：

             θ=(θ12+θ23+θ34+2θ13+2θ24+3θ14)/10

    本发明的有益效果是，与现有的倾角传感器/倾角仪相比，本发明利用若干个具有绝对测距功能的位移传感器，通过数据处理获得被测目标的二维倾角，实现了倾角的非接触高精度测量。该方法可以免除倾角传感器直接安装在被测目标的弊端，而且测量结果与测量平板与被测目标回转轴线的偏心距无关，测量和维护更加方便灵活，使用范围更加广泛。

Claims (15)

1.一种一维倾角非接触测量***，其特征在于：该测量***由若干位移传感器、一个测量平板、一个测量支架、一个控制***和一根电缆组成。

2.测量平板被安置于被测目标上。

3.位移传感器安置于测量支架之上，每个传感器的测量线互相平行，并且所有测量线均对准测量平板，每个传位移感器的输出通过电缆输送到控制***。

4.当被测目标处于任何空间姿态位置时，在控制***的统一控制下，所有传感器同步获取与测量平板之间的距离值，并送入控制***进行数据处理，通过计算得到测量平板即被测目标的一维倾角值。

5.根据权利要求1所述的一维倾角非接触测量***，其特征是：所述的位移传感器是具有绝对测距功能的非接触位移传感器。

6.根据权利要求5所述的位移传感器，其特征是：位移传感器的数量最少为2个，所有位移传感器均应布置在同一条直线上，该直线与被测目标的回转中心线正交。

7.根据权利要求1所述的测量平板，其特征是：所述的测量平板的形状可为长方形或者其他形状，其所在平面可以与被测目标的工作面平行，也可以不平行，没有特殊限制。

8.根据权利要求7所述的测量平板，其特征是：所述的测量平板的大小取决于倾角变化范围、传感器间距以及测量平板与被测目标回转轴线的偏心距。

9.倾角变化范围越大、传感器间距越大、测量平板与被测目标回转轴线的偏心距越大，所需的测量平板的尺寸也就越大。

10.根据权利要求7所述的测量平板，其特征是：所述的测量平板采用轻质材料，以便最大程度地减轻对被测目标动态特性的影响。

11.根据权利要求7所述的测量平板，其特征是：所述的测量平板背面设置若干加强筋，以便减小测量平板的变形。

12.根据权利要求1所述的测量***，其特征是：对于空间有限、不能采用较大尺寸测量平面的场合，所述测量***可以采用更多的位移传感器和小尺寸测量平板，通过分段测量和自动切换技术实现较大范围的倾角测量。

13.一种针对上述测量***的倾角测量数据处理方法，其特征是：对于采用2个位移传感器测量一维倾角的情形，所述的数据处理方法是直接利用两个位移传感器位移差与两个位移传感器间距之比来计算倾角的梯度算法。

14.根据权利要求13所述的数据处理方法，其特征是：对于采用3个及以上位移传感器测量一维倾角的情形，所述的数据处理方法是：分别利用任意两个位移传感器位移差与两个传感器间距之比来计算出一个倾角值，然后将所有的倾角值取平均，并以平均值作为最后的倾角测量结果。

15.根据权利要求13所述的多传感器数据处理方法，其特征是：所述的平均值是采用所有倾角值的加权算术平均值作为最终倾角测量结果，每个倾角值的权就是该倾角值所对应的两个传感器的间距，所有权之和即为所有传感器间距之和。