專利名稱：傾角雷射尺系統及其量測方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射尺系統及其量測方法，尤指一種可簡化距離量測的傾角雷射尺系統及其量測方法。
背景技術：
雷射尺是一種距離量測儀器，可廣泛應用于電力、水利、建筑、地質量測及體育運動等各領域。在量測使用時，雷射尺系統發射出激光至被測物，該激光經被測物反射后被雷射尺系統接收，并同時記錄激光往返所花費的時間。雷射尺根據計算該往返時間和光速速率乘積的一半，即可得到雷射尺系統所在位置和被測物之間的直線距離。
美國專利公告第6,624,881號公開了一種現有的雷射尺距離量測裝置。該雷射尺距離量測裝置包括微控制處理單元、不可擦除存儲器、數據存儲器、鍵盤、顯示屏、激光發射源及激光接收器。微控制處理單元可控制激光發射源向外界發送激光束，激光束遇到被測物體后反射折回而被激光接收器接收。微控制處理單元計算激光束的發送時間及其接收時間之間的時間差，并將此時間差乘上激光的傳播速率從而計算出該雷射尺距離量測裝置與被測物體的直線距離。相關的計算數據儲存于數據存儲器內，同時該計算結果顯示于顯示屏。操作者可通過鍵盤控制選擇量測方式及校正算法來校正量測結果，校正算法儲存于不可擦除存儲器內。另外，量測裝置還包括一數據傳輸接口，量測裝置所測得之數據可通過該傳輸接口傳輸至外界的外圍設備中。
上述現有雷射尺距離量測裝置可以方便地量測雷射尺所在位置距被測物體之間的直線距離，并可通過顯示屏顯示出量測結果。利用微控制處理器強大的數據處理功能，方便快捷地完成數據處理，同時，該裝置還可通過設置多種校正算法，對量測結果進行算法校正，使量測結果更接近實際數據。
然而，在實際量測中，量測者不僅需要對水平距離進行量測，通常還需要對空間距離進行量測，這一點在建筑領域尤其常見。在建筑領域中，由于建筑物的構造為空間立體形狀，故人們常常需要量測某些物體的高度。如圖1所示，由于現有的雷射尺距離量測裝置只能量測與雷射尺處于同一個水平面的物體至雷射尺的距離A及距離B，對于物體的空間高度C則必須先量測距離A及B，再通過幾何關系運算才能得出。而實際量測中，假如A的路徑上出現障礙物阻擋激光傳播，則該距離量測裝置無法測得空間高度C。而這種情況在實際的量測之中常常容易發生，因此給實際的工程量測帶來諸多不便。
鑒于此原因，發明人提出一種新的設計方案，通過將現有的雷射尺距離量測裝置與傾角感測儀器的組合來實現量測操作的簡化。
申請人于2004年3月31日向美國專利商標局提交了一種關于傾角傳感器的專利申請，其申請號為10/813065。該申請案揭露了一種傾角傳感器的信號取樣電路，適用于雷射水平儀中。該傾角傳感器具有一輸出引腳、于此輸出引腳兩側對稱設置一對第一輸入引腳、一對第二輸入引腳以及導通第一輸入引腳與輸出引腳及導通第二輸入引腳與輸出引腳的電解液。此信號取樣電路包括信號發生模塊、取樣保持模塊以及求差模塊。信號發生模塊等時序間隔地產生水平量測信號，依序多向交替輸出至傾角傳感器之第一輸入引腳及第二輸入引腳，使得此傾角傳感器依序自各輸出引腳輸出對應的第一輸出信號與第二輸出信號。取樣保持模塊依序對第一輸出信號與第二輸出信號取樣及保持，同時分別輸出第一取樣信號與第二取樣信號。求差模塊接收到上述第一取樣信號與第二取樣信號并求出二者之差值，而輸出一水平量測結果信號至處理單元，以獲知一水平方向的傾角數值。本發明中的傾角雷射尺將會采用到該前揭申請案中的若干技術。
發明內容本發明的目的在于提供一種可簡化距離量測的傾角雷射尺系統及其量測方法，其在高精度相位測距系統的基礎上，結合水平傳感器的技術，使得距離量測大大地簡化。
本發明的另一目的在于提供一種新的傾角雷射尺系統及其量測方法，可量測被測物與水平方向的傾角，量測點至垂直面的水平距離，自動記錄最短距離及某特定兩點間的高度。
本發明的目的通過以下技術方案實現一種傾角雷射尺系統，其包括一光發射模塊；一光接收模塊；一耦合模塊，該耦合模塊連接光發射模塊及光接收模塊；一傾角感測模塊，該傾角感測模塊可獲得傾角雷射尺系統在水平方向的傾角信號；一信號處理模塊，該信號處理模塊同時連接傾角感測模塊、耦合模塊、光發射模塊及光接收模塊，可接收各模塊產生的信號并進行運算；以及一顯示屏，該顯示屏連接信號處理模塊，并可將信號處理模塊的運算處理結果顯示出來。
本發明提供的傾角雷射尺系統的量測方法包括如下步驟a)信號處理模塊產生振蕩信號控制光發射模塊發射出激光；b)光接受模塊同時接受直接從光發射模塊產生的激光束及經被測物反射回來的激光；c)耦合模塊將光接收模塊接收的信號及信號處理模塊產生的振蕩信號耦合為相位信號；d)信號處理模塊接收并處理相位信號及傾角感測模塊產生的傾角信號；以及e)顯示屏接收信號處理模塊的運算處理結果，并顯示。
與現有技術相比，本發明的傾角雷射尺系統方便、實用，其通過高精度的硬件部件及靈活的軟件控制程序，可使傾角雷射尺系統方便地進行水平距離量測及高度量測，并可使量測結果達到較高的精度。
圖1為現有雷射尺距離量測裝置在實際量測中的使用圖示。
圖2為依據本發明較佳實施例的傾角雷射尺系統的架構圖。
圖3為依據本發明較佳實施例的傾角雷射尺系統的原理圖。
圖4A為傾角雷射尺系統量測絕對水平距離的示意圖；圖4B為傾角雷射尺系統進行掃描量測的示意圖；圖4C為傾角雷射尺系統量測到垂直墻面距離的示意圖；圖4D為傾角雷射尺系統量測兩點間高度的示意圖。
具體實施方式請參照圖2所示，依據本發明較佳實施例的一種傾角雷射尺系統的架構圖，本發明的傾角雷射尺系統包括一光發射模塊25；一光接收模塊26；一耦合模塊24，該耦合模塊24連接光發射模塊25及光接收模塊26；一傾角感測模塊23，該傾角感測模塊23可獲得傾角雷射尺系統在水平方向的傾角信號；一信號處理模塊22，該信號處理模塊22同時連接傾角感測模塊23、耦合模塊24、光發射模塊25及光接收模塊26，接收各模塊產生的信號并進行運算；以及一顯示屏21，該顯示屏連接信號處理模塊22，可將信號處理模塊22的運算處理結果顯示出來。
該傾角雷射尺系統的量測方法，包括以下步驟a)信號處理模塊22產生振蕩信號控制光發射模塊25發射出激光；
b)光接受模塊26同時接受直接從光發射模塊25產生的激光束及經被測物反射回來的激光；c)耦合模塊24將光接收模塊26接收的信號及信號處理模塊22產生的振蕩信號耦合為相位信號；d)信號處理模塊22接收并處理相位信號及傾角感測模塊23產生的傾角信號；以及e)顯示屏21接收信號處理模塊22的運算處理結果，并顯示。
請進一步參照圖3所示，該圖所示為傾角雷射尺系統的原理圖。其中，顯示屏21與一數字信號處理芯片(Digital Signal Processor，DSP)221連接。DSP芯片221與一可編程邏輯器件(Complex ProgrammableLogic Device，CPLD)222及一壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator，VCXD)223組成信號處理模塊22。顯示屏21接收DSP芯片產生的電信號，并將此信號顯示出來。該顯示屏21可以為發光二極管組成的顯示屏，亦可為液晶顯示屏。
信號處理模塊22的DSP芯片221包括一處理單元2210和一模擬/數字轉換器2211?？删幊踢壿嬈骷?22包括頻率合成器(FrequencySynthesizer)2221及開關2220、2222，該頻率合成器2221及開關2220、2222分別與處理單元2210電性連接，并受處理單元2210的電信號控制。信號處理模塊22還包括一壓控振蕩器223，該壓控振蕩器223連接頻率合成器2221，并為該頻率合成器2221提供振蕩信號。另外，可編程邏輯器件222的開關2220、2222作動通過DSP芯片來控制完成。
傾角感測模塊23連接信號處理模塊22的DSP芯片221。此傾角感測模塊23即為前述申請人于2004年3月31日向美國專利商標局提交的第10/813065號專利申請中所涉及的一種關于傾角傳感器。該傾角感測模塊23可將該雷射尺系統與水平方向的傾角轉換成電流信號，此電流信號通過DSP芯片211之模擬/數字轉換器2211轉換為數字信號，以供DSP芯片211進行運算處理。
光發射模塊25包括激光二極管驅動器(Laser Diode Driver)251及激光二極管(Laser Diode，LD)252。激光二極管252通過激光二極管驅動器251電性連接至可編程邏輯器件222，該激光二極管驅動件251受頻率合成器2221產生的振蕩信號控制，從而驅動激光二極管252發出激光束。
光接收模塊26包括雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode，APD)261、基準雪崩光電二極管(Ref Avalanche Photo Diode，Ref APD)263、帶通濾波放大器(Band-Pass Filter and Amplifier，BPF and AMP)262、264及一高電位電壓265。所述雪崩光電二極管261及基準雪崩光電二極管263可接收光信號，并可將光信號轉換為電信號，其中，雪崩光電二極管261接收激光二極管252發出的經過被測物體反射的激光束，基準雪崩光電二極管263直接接收激光二極管252發出的激光束。高電位電壓265加載于雪崩光電二極管261及基準雪崩光電二極管263之上，使該兩個二極管的輸出電信號得到一高電位上拉。雪崩光電二極管261及基準雪崩光電二極管263分別通過帶通濾波放大器262及264連接至DSP芯片221的模擬/數字轉換器2211，帶通濾波放大器262及264可選擇性地通過一定頻率范圍的信號，濾除低頻噪聲和高頻噪聲，并將有效信號放大。
耦合模塊24由一耦合器241及功率放大器242組成，該耦合器241同時連接雪崩光電二極管261及基準雪崩光電二極管263，通過功率放大器242連接至可編程邏輯器件222，并將頻率合成器2221產生的振蕩信號耦合至雪崩光電二極管261及基準雪崩光電二極管263，從而產生激光束的相位信號。
在實際量測使用過程中，DSP芯片221的處理單元2210控制可編程邏輯器件222的頻率合成器2221及開關2220，頻率合成器2221產生振蕩信號使激光二極管驅動件251驅動激光二極管252激光束。基準雪崩光電二極管263直接接收部分的該激光束，同時，另一部分激光束經過被測物體反射后被雪崩光電二極管261接收。基準雪崩光電二極管263及雪崩光電二極管261將接收到的光信號轉化為電信號，該電信號與頻率合成器2221產生的振蕩信號耦合形成相位信號，并分別通過帶通濾波放大器262、264連接至模擬/數字轉換器2211。該模擬/數字轉換器2211還與傾角感測模塊23連接，將傾角感測模塊23傳輸來的傾角感測信號與光電二極管傳輸來的激光束的相位信號進行模擬/數字轉換，以供處理單元2210進行運算處理。
傾角雷射尺系統可利用傾角感測模塊23的傾角感測信號及激光束的相位信號，通過軟件程序完成諸多功能。如圖4A所示，量測絕對的水平距離時，傾角雷射尺系統僅需通過一次量測，根據傾角感測模塊23提供的角度α，及傾角雷射尺系統實際量測的距離(虛線表示)，即可得到絕對的水平距離(實線表示)。
傾角雷射尺系統的掃描功能如4B所示，傾角雷射尺系統紀錄比較掃描的距離(虛線表示)，并顯示最小值(實線表示)。
結合功能前述二功能，傾角雷射尺系統可以實現傾角雷射尺系統到垂直墻面距離的量測。如4C所示，操作者在使用中只需用激光束對被測面緩慢劃過一弧線，即可得到傾角雷射尺系統與垂直墻面的水平距離。
如需量測兩點間高度距離，傾角雷射尺系統在該兩點分別量測一次即可得到實現，如圖4D所示。
權利要求
1.一種傾角雷射尺系統，其包括一光發射模塊、一光接收模塊、一耦合模塊、一信號處理模塊及一顯示屏，所述耦合模塊連接光發射模塊及光接收模塊，所述信號處理模塊連接耦合模塊、光發射模塊及光接收模塊，可接收各模塊發出的信號并進行運算，顯示屏連接所述信號處理模塊，可將信號處理模塊的運算處理結果顯示出來，其特征在于所述傾角雷射尺系統還包括一傾角感測模塊與信號處理模塊連接，該傾角感測模塊可獲得傾角雷射尺系統在水平方向的傾角信號供信號處理模組運算處理。
2.如權利要求1所述的傾角雷射尺系統，其特征在于所述光發射模塊由激光二極管及激光二極管驅動器組成。
3.如權利要求1所述的傾角雷射尺系統，其特征在于所述光接收模塊包括雪崩光電二極管、基準雪崩光電二極管及濾波放大器。
4.如權利要求3所述的傾角雷射尺系統，其特征在于所述雪崩光電二極管及基準雪崩光電二極管可將光信號轉換為電信號，其中，雪崩光電二極管將激光二極管發出的并經過被測物體反射的激光束轉換為電信號，基準雪崩光電二極管直接將激光二極管發出的激光束轉換為電信號。
5.如權利要求1所述的傾角雷射尺系統，其特征在于所述耦合模塊包括一耦合器。
6.如權利要求1所述的傾角雷射尺系統，其特征在于所述信號處理模塊包括DSP芯片、可編程邏輯器件及壓控振蕩器。
7.如權利要求6所述的傾角雷射尺系統，其特征在于所述壓控振蕩器驅動可編程邏輯器件產生振蕩信號。
8.如權利要求7所述的傾角雷射尺系統，其特征在于所述耦合器耦合雪崩光電二極管及基準雪崩光電二極管產生的電信號與振蕩信號，從而形成相位信號。
9.如權利要求6所述的傾角雷射尺系統，其特征在于所述DSP芯片包括一處理單元和一模擬/數字轉換器。
10.如權利要求9所述的傾角雷射尺系統，其特征在于該模擬/數字轉換器可將傾角感測模塊及光接收模塊輸出的模擬信號轉化為數字信號以供處理單元運算處理。
11.一種傾角雷射尺系統的量測方法，包括以下步驟a)信號處理模塊產生振蕩信號控制光發射模塊發射出激光；b)光接受模塊同時接受直接從光發射模塊產生的激光束及經被測物反射回來的激光；c)耦合模塊將光接收模塊接收的信號及信號處理模塊產生的振蕩信號耦合為相位信號；d)信號處理模塊接收并處理相位信號及傾角感測模塊產生的傾角信號；以及e)顯示屏接收信號處理模塊的運算處理結果并顯示。
12.如權利要求11所述的傾角雷射尺系統的量測方法，其特征在于光接受模塊包括雪崩光電二極管及基準雪崩光電二極管可將光信號轉換為電信號，其中，傾角雷射尺系統通過雪崩光電二極管來接收經過被測物體反射的激光束，通過基準雪崩光電二極管直接接收光發射模塊發出的激光束。
13.如權利要求11所述的傾角雷射尺系統的量測方法，其特征在于所述信號處理模塊包括DSP芯片、可編程邏輯器件及壓控振蕩器。
14.如權利要求13所述的傾角雷射尺系統的量測方法，其特征在于系統利用壓控振蕩器產生振蕩信號來驅動可編程邏輯器件。
15.如權利要求13所述的傾角雷射尺系統的量測方法，其特征在于所述DSP芯片包括一處理單元和一模擬/數字轉換器，傾角雷射尺系統利用該模擬/數字轉換器將傾角感測模塊及光接收模塊的信號轉化為數字信號以供處理單元運算處理。
全文摘要
本發明提供了一種傾角雷射尺系統及其量測方法，該雷射尺系統包括一光發射模塊；一光接收模塊；一耦合模塊，該耦合模塊連接光發射模塊及光接收模塊；一傾角感測模塊，該傾角感測模塊可獲得傾角雷射尺系統在水平方向的傾角訊號；一訊號處理模塊，該訊號處理模塊同時連接傾角感測模塊、耦合模塊、光發射模塊及光接收模塊，可接收各模塊產生的訊號并進行運算；以及一顯示屏，該顯示屏連接訊號處理模塊，并將訊號處理模塊的運算處理結果顯示出來。本發明所揭示的傾角雷射尺系統通過高精度的硬件部件及靈活的軟件控制程序，可使傾角雷射尺系統方便地進行水平距離量測及高度量測，并可使測量結果達到較高的精度。
文檔編號G01S17/00GK1885063SQ20051007848
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月20日 優先權日2005年6月20日
發明者簡碧堯, 劉華唐, 陳慧卿, 楊守清, 陳海華, 李亮, 魯寒, 宋鵬飛 申請人:亞洲光學股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
