一种带角度显示的自动安平激光标线仪
2014-12-13赵群国朱宏军
赵群国，朱宏军
（1.常州市金天地仪器有限公司，江苏 常州 213023；2.常州华达科捷光电仪器有限公司，江苏 常州 213023）
0 引言
随着激光标线仪在基础施工、装修等领域的广泛使用，传统单一的水平标定或垂直标定不能满足施工的要求。本仪器是在传统带旋转体的标线仪基础上增加角度读数系统，整体上运用了光学、电子学、机械学及数据处理技术等综合性仪器。
1 仪器的工作原理
本仪器是在现有带旋转体的标线仪产品上增加角度读数系统和显示界面组成的新型仪器。
图1 仪器的组成
1.1 自动安平激光标线仪原理
激光标线仪可输出2 条互成90°夹角的十字激光交叉线和1 个下对点。由激光器发出的平行光束垂直投射到圆柱形玻璃棒上，经两次柱面折射后，形成与玻璃棒垂直的扇形出射平面。在其前方某一平面上投影，即可得到一条激光直线。
整体悬挂重力自动安平技术，是一种用万向架将激光准直器整体悬挂起来，以自动保持测量基准精度的技术。当万向架轴系摩擦力很小，且被悬挂体重心与激光束重合时，作为基准使用的铅直向上或向下的平行激光束，即具有自动保持工作精度的能力，这时系统即使受外力扰动而作两个自由度的摆动，最终也会静止在原来的位置上，恢复工作精度，从而实现了重力自动安平。为使被悬挂体受扰动后迅速静止，还需要设置阻尼器。
1.2 角度读数原理
即利用光电识别技术、光栅读数技术以及电子信号处理和数据处理技术组成的一套读角系统，下文将主要阐述这方面。
1.3 LCD 显示
即用低功耗的LCD 笔段液晶进行显示，主要显示角度，安平状态。角度显示为0～359°59′。
2 角度读数系统原理
2.1 组成
读数头由光栅盘一块、960nm 红外检测部件（1 个发射管、2 个接收管）一套和后续电信号处理部分。
光栅盘由黑白线条组成（1080 对）：
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条纹。
直径在60 mm，中心孔位固定在标线仪底座上。
2.2 结构布局
图3 读数头布局图
如图3 所示，发光管在中心，2 个接收管在发光管两侧（接收发光管在光栅盘反射的光线）。光栅盘固定在激光标线仪底座上的静止部分，960nm 红外检测部件固定在激光标线仪底座上的旋转部分，使激光标线仪在转动的情况下能使接收管接收到强弱变化的光信号。
2.3 计数电信号分析及处理
960nm 红外检测部件的输出信号：
图4 接收信号图
可以看到接收信号是两个成90 度相位的弦波。
对于接收信号1 和接收信号2 的弦波进行整形，将弦波整形成方波如图5 所示。
图5 整形后的波形
当激光标线仪底座上的旋转部分顺时针旋转，则可得到接收信号1 和接收信号2 正向转动时的波形，如图6 所示。
从图6 中可以看出正向转动时接收波形2 的方波上升沿在接收波形1 的高电平区；
当激光标线仪底座上的旋转部分逆时针旋转，则可得到接收信号1 和接收信号2（取反）反向转动时的波形，如图7 所示。
图6 正向转动时波形
图7 反向转动时波形
从图7 中可以看出反向转动时接收信号2（取反）的方波上升沿在接收波形1 的高电平区。
设置2 个计数器，一路计正向转动数值A1，另一路计反向转动数值A2，二数值相差A=A1-A2 就是我们所要计算的转动位置。其中A，A1，A2 的最大值就是光栅的黑或白条纹数值B。当A1＜A2 时，可以用A=B+A1-A2，当A=B 时，A 值取0。
虽然此方法可以计算出标线仪旋转的角度，但计算出来的角度精度比较低，例如当黑白条纹为1080 线时，每个脉冲对应的角度为360°/1080=20′，此角度精度较低，将其称为大数值A。如要得到更高的角度测量精度，需要进行细分处理。
将得到接收信号弦波划分成如图8 所示的4 个区间，即1 区、2 区、3 区和4 区，这样可以将数值精度提高4 倍，即20′/4=5′。
图8 波形分区图
当接收信号1 在1 区时，用ADC 采集其信号值R，（假设弦波信号的最大ADC 数值为S，其由发光管和接收管的设定参数所决定）用反正弦可以计算出在此区间任意点C 的数值，从而推出小数值X：
同理根据公式（1）可以得到2 区、3 区和4 区的数值。其精度取决于ADC 采样精度，X 被称为小数值。
综上，就可以测得旋转角度M=A+X。
3 控制系统
激光标线仪自动安平方式采用重力和万向轮方式。电路控制系统方框图如图9 所示。
LCD 显示与按键。LCD 显示的是转动的实时角度值；按键包括：角度置零键，可以将仪器在任意位置设成零度起始角，（以铅垂线为标准，根据工程要求而设定），从而进行有效的放样和测量。
图9 电路控制系统
4 结论
经过初步测试，采用1080 线的光栅，测角精度可以达到1′以内。如果提高机械加工精度、加强调试工艺以及ADC 采样精度，测角精度可以达到30″精度。
