一種用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶的制作方法
【專利摘要】一種用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，涉及一種激光靶，本實用新型通過在前屏（8）上部的凸透鏡安裝孔（2）內(nèi)設置凸透鏡（1），可以使激光束聚焦到一點，光斑小、亮度高，使測量精度提高、測程加長，同時使激光束偏離凸透鏡光心，成像位置不變，解決了激光束跳動的問題，并使激光靶前屏玻璃面積大幅縮小，有利于激光靶的保護，進一步在第二焦平面（9）上設置后靶屏，有效的解決了光斑不規(guī)則、后處理難度大、測量誤差大、測程短和激光相對于激光靶位置跳動時，激光靶不能連續(xù)捕捉激光，導致自動導向系統(tǒng)不能連續(xù)測量的弊端，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便等特點。
【專利說明】一種用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶
[0001]【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0002]本實用新型涉及一種激光靶，具體涉及一種用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶。[0003]【【背景技術(shù)】】
[0004]已知的，自動導向系統(tǒng)是測量盾構(gòu)(TBM)位置的關(guān)鍵部件，其中盾構(gòu)在掘進過程中，通過自動導向系統(tǒng)連續(xù)地測量盾構(gòu)相對于設計隧道軸線的偏差，并將測得的數(shù)據(jù)提供給主司機，進而使主司機及時的調(diào)整掘進參數(shù)，使盾構(gòu)能夠始終沿著設計軸線精確掘進。
[0005]為了確保自動導向系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和可靠性，首先需要確定盾構(gòu)在三維空間中的絕對位置，需要六個參數(shù)，即三個線元素和三個角元素，其中，三個線元素(X、Y、H)的測量由全站儀完成，三個角元素中的兩個一盾構(gòu)軸線相對于水平面的坡度角和滾動角，由傾斜儀來測量，而針對第三個角元素的測量方法——盾構(gòu)軸線與設計隧道軸線在水平面上的夾角(偏航角)，則是影響整個自動導向系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和可靠性關(guān)鍵，那么按照偏航角的測量方法，將自動導向系統(tǒng)劃分為以下幾類:
[0006]第一種、陀螺儀法，該方法測量精度不穩(wěn)定，對人工介入依賴強，目前基本淘汰；
[0007]第二種、雙(三)棱鏡法，采用該方法進行測量的優(yōu)點是硬件制造簡單、價格便宜，但是存在測量精度低、需要較大的測量窗口、對全站儀精度要求高等缺點；
[0008]第三種、激光靶法，采用該方法進行測量的優(yōu)點是精度高、性能穩(wěn)定可靠、所需測量窗口小，但是其價格稍高，同樣是目前性能最先進的自動導向系統(tǒng)。
[0009]而目前本領(lǐng)域技術(shù)人員通過如下幾種結(jié)構(gòu)的激光靶來測量盾構(gòu)的偏航角，具體如下:
[0010]1、采用轉(zhuǎn)動的“陰屏”(類似百葉窗)加角度傳感器加激光強度傳感器，此種結(jié)構(gòu)的缺點是轉(zhuǎn)動的“陰屏”故障率較高，前屏較大，易損傷；
[0011]2、采用雙相機結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)的激光穿過激光靶的半透光式前屏照射到后屏，兩個工業(yè)相機分別捕捉前后屏上的光點圖像，但是其缺點是光斑不規(guī)則，圖像后處理難度稍大，前屏易損傷；
[0012]3、采用單相機結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)的激光通過前屏上的固定小孔在后屏成像，單工業(yè)相機對準后屏照相，但是其缺點是光斑不規(guī)則，測量誤差稍大，光斑較暗時，測程短，激光偏離小孔時，無法測量。
[0013]針對上述技術(shù)問題，如何提供一種較為適宜的激光靶來測量盾構(gòu)的偏航角就成了本領(lǐng)域技術(shù)人員的長期技術(shù)訴求。
[0014]【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0015]為了克服【背景技術(shù)】中存在的不足，本實用新型提供了一種用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，本實用新型通過在前屏上設置凸透鏡安裝孔，并在凸透鏡安裝孔內(nèi)安裝凸透鏡，在前屏與第二焦平面之間設置相機，在第二焦平面上設置后靶屏，有效的解決了光斑不規(guī)則、后處理難度大、測量誤差大、測程短和激光相對于激光靶位置跳動時，激光靶不能連續(xù)捕捉激光，導致自動導向系統(tǒng)不能連續(xù)測量的弊端，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便等特點。[0016]為實現(xiàn)如上所述的發(fā)明目的，本實用新型采用如下所述的技術(shù)方案:
[0017]一種用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，包括凸透鏡、相機、棱鏡、前屏和第二焦平面，在所述前屏的上部設有凸透鏡安裝孔，在所述凸透鏡安裝孔上設有凸透鏡，在前屏下部的外側(cè)設有棱鏡，在第二焦平面上對應凸透鏡的位置設有后靶屏，在凸透鏡和后靶屏之間設有相機，所述相機的鏡頭照準后靶屏并通過數(shù)據(jù)線將拍攝到的光點圖像發(fā)送至控制系統(tǒng)形成所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶。
[0018]所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，所述凸透鏡和后靶屏之間設有傾斜儀。
[0019]所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，所述傾斜儀為雙軸傾斜儀或兩個單軸傾斜儀。
[0020]所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，所述凸透鏡的外形公差〈+0.0/-0.1_，厚度公差〈±0.1mm，偏心率<3arc min。
[0021]所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，所述凸透鏡安裝孔的內(nèi)側(cè)設有45°的倒角。
[0022]所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，所述相機為工業(yè)相機。
[0023]所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，所述控制系統(tǒng)為計算機。
[0024]采用如上所述的技術(shù)方案，本實用新型具有如下所述的優(yōu)越性:
[0025]本實用新型所述的一種用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，本實用新型通過在前屏上設置凸透鏡，使激光束聚焦到一點，光斑小、亮度高，使測量精度提高、測程加長，同時使激光束偏離凸透鏡光心，成像位置`不變，解決了激光束跳動的問題，并使激光靶前屏玻璃面積大幅縮小，有利于激光靶的保護，進一步在前屏和后靶屏之間設置相機，在第二焦平面上設置后靶屏，有效的解決了光斑不規(guī)則、后處理難度大、測量誤差大、測程短和激光相對于激光靶位置跳動時，激光靶不能連續(xù)捕捉激光，導致自動導向系統(tǒng)不能連續(xù)測量的弊端，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便等特點。
[0026]【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0027]圖1是本實用新型激光靶的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]在圖中:1、凸透鏡；2、凸透鏡安裝孔；3、激光束；4、相機；5、棱鏡；6、后靶屏；7、傾斜儀；8、前屏；9、第二焦平面。
[0029]【【具體實施方式】】
[0030]通過下面的實施例可以更詳細的解釋本實用新型，本實用新型并不局限于下面的實施例；
[0031]結(jié)合附圖1所述的一種用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，包括凸透鏡1、相機4、棱鏡
5、前屏8和第二焦平面9，在所述前屏8的上部設有凸透鏡安裝孔2，所述凸透鏡安裝孔2的內(nèi)側(cè)設有45°的倒角，此時凸透鏡安裝孔2的口徑大小取決于激光光斑大小和激光跳動幅度，設計口徑越大，激光靶工作適應能力越強，但精度也會相應降低，一般情況下，光學窗口達到Φ25_即能滿足精度要求，也可兼顧激光靶適應現(xiàn)場的能力，進一步在所述凸透鏡安裝孔2上設有凸透鏡1，所述凸透鏡I安裝在凸透鏡安裝孔2的內(nèi)側(cè)或外側(cè)或內(nèi)孔中，其中凸透鏡I的外形公差〈+0.0/-0.1mm,厚度公差〈±0.1mm,偏心率<3arc min,在前屏8下部的外側(cè)設有棱鏡5，在第二焦平面9的上部對應凸透鏡I的位置設有后靶屏6，在凸透鏡I和后靶屏6的下方靠近凸透鏡I處設有相機4，所述相機4為工業(yè)相機，所述凸透鏡I和后靶屏6的下方靠近后靶屏6處設有傾斜儀7，所述傾斜儀7為雙軸傾斜儀或兩個單軸傾斜儀，所述相機4的鏡頭照準靶屏6，并通過數(shù)據(jù)線將拍攝到的光點圖像發(fā)送至控制系統(tǒng)形成所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，所述控制系統(tǒng)為計算機。
[0032]實施本實用新型所述的一種用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶的一種用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶的測量方法，所述測量方法首先將用于聚光的凸透鏡I安裝到前屏8上部凸透鏡安裝孔2的內(nèi)側(cè)，或?qū)⑼雇哥RI安裝在凸透鏡安裝孔2的中部或外側(cè)，然后在第二焦平面9上設置接收激光成像的后靶屏6，平行的激光束3通過凸透鏡I聚焦后成像在后靶屏6上，此時設置在凸透鏡I與后靶屏6之間的相機4照準后靶屏6，并拍攝光點圖像，然后相機4通過數(shù)據(jù)線將拍攝到的光點圖像發(fā)送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對圖像進行后處理，計算出光點的相關(guān)坐標，此時計算出的相關(guān)坐標信息及時反饋給操作人員。
[0033]本實用新型的工作原理為:
[0034]凸透鏡成像:從第一焦平面方向發(fā)射的，與凸透鏡I主光軸成一定夾角的平行光束，經(jīng)光學系統(tǒng)后，出射光線交于第二焦平面9上的某一點。該點在第二焦平面9上的位置，決定于入射的平行光束相對于主光軸的方向。
[0035]針對自動導向系統(tǒng)，如果照射到激光靶前屏8上的激光束3角度一定，則無論激光束3是否通過凸透鏡I的光心，其在焦平面上的聚焦成像位置是相同的。
[0036]反過來，測量出聚焦到后靶屏6上的激光點坐標后，可反向計算出照射到凸透鏡I上的激光束3與激光靶軸線之間的角度(水平方向與豎直方向)。
[0037]激光角度由全站儀實時測量，相機4加計算機測量并計算出光點在焦平面上的坐標，根據(jù)此原理可計算出激光與凸透鏡I主光軸的水平夾角，再考慮到激光靶與盾構(gòu)軸線之間的安裝偏差數(shù)據(jù)，從而得出盾構(gòu)軸線在三維空間里的方位角。這就是本激光靶測量盾構(gòu)姿態(tài)角的基本原理。
[0038]凸透鏡I聚光、工業(yè)相機捕捉圖像產(chǎn)生了下列特點:
[0039]激光在屏幕玻璃和凸透鏡I之間會發(fā)生二次反射、凸透鏡I成像有球差和慧差、透鏡焦距約有1%的制造和測量誤差、凸透鏡I和后靶屏6的位置和軸線安裝誤差、相機4軸線與激光靶軸線不平行產(chǎn)生的傾斜誤差、凸透鏡I和相機4鏡頭均存在著桶狀或枕狀畸變差。
[0040]以上誤差需要通過激光靶的校正來消除或減弱。
[0041]本實用新型在實施過程中的具體技術(shù)要求為:
[0042]凸透鏡安裝孔2內(nèi)側(cè)加工45°的倒角，減小凸透鏡安裝孔2邊緣對激光的反射。
[0043]凸透鏡I焦距與設計的凸透鏡I光心位置至靶屏間距相等，焦距的制造和出廠測量公差〈1%，凸透鏡I的設計波長與激光波長盡量相近，<±30nm，否則應考慮設計波長與激光波長差值對凸透鏡I焦距的影響，或利用全站儀激光實際測量凸透鏡I的真正焦距。
[0044]凸透鏡I外形公差〈+0.0/-0.1mm，厚度公差〈±0.Imm,偏心率<3arc min。
[0045]凸透鏡I表面鍍膜，以減少凸透鏡I與保護玻璃之間的光線二次反射，激光波長包含于鍍膜后的波長窗口內(nèi)。
[0046]凸透鏡I光心平面位置安裝精度要求達到±0.5mm,此精度主要依賴于提高激光窗口的機械加工精度來滿足要求；安裝時凸面朝前，有利于減小激光的二次反射。
[0047]凸透鏡I軸線與激光靶軸線之間的重合度，安裝精度要求為I度。[0048]凸透鏡I至后靶屏6之間的距離安裝誤差〈± 1mm，此精度依賴于機械加工精度，并可通過調(diào)整后靶屏6位置或凸透鏡I與前面板膠結(jié)厚度來滿足要求。
[0049]后靶屏6安裝在激光靶后屏(第二焦平面9)上，與凸透鏡I平面平行，距離凸透鏡I光心與凸透鏡I焦距相等，靶屏6長寬不小于根據(jù)測量偏航角的水平、豎直量程和凸透鏡I焦距計算出的尺寸，后靶屏6在后屏上的安裝誤差±0.5mm。
[0050]針對激光靶校正技術(shù)要求
[0051](I)以激光靶頂面四個角為準，將激光靶安置水平，安置精度±0.5mm ；
[0052](2)以激光靶機械軸線為準，確定地面中線標志O1 (凸透鏡I光心投影點)、02、A，其中^~α=2.000m，測設精度±0.5mm，該中線為激光靶軸線及其延伸線；
[0053](3)在A點處，測定激光靶軸線的垂直線B-L-A-R，其中S^a和SA~K距離與Scir A距離比值等于激光靶測量偏航角水平方向設計量程的1/2 (本激光靶設計量程為24%，換算成角度13.686。)，測設精度±0.5mm, B為后視點；
[0054](4)分別架設全站儀在L、A、R處，每處設站三次，使激光高度分別等于
【權(quán)利要求】
1.一種用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，包括凸透鏡(I)、相機(4)、棱鏡(5)、前屏(8)和第二焦平面(9)，其特征是:在所述前屏(8)的上部設有凸透鏡安裝孔(2)，在所述凸透鏡安裝孔(2)上設有凸透鏡(1)，在前屏(8)下部的外側(cè)設有棱鏡(5)，在第二焦平面(9)上對應凸透鏡(I)的位置設有后靶屏(6)，在凸透鏡(I)和后靶屏(6)之間設有相機(4)，所述相機(4)的鏡頭照準后靶屏(6)并通過數(shù)據(jù)線將拍攝到的光點圖像發(fā)送至控制系統(tǒng)形成所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，其特征是:所述凸透鏡(I)和后靶屏(6)的之間設有傾斜儀(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，其特征是:所述傾斜儀(7)為雙軸傾斜儀或兩個單軸傾斜儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，其特征是:所述凸透鏡(I)的外形公差〈+0.0/-0.1mm,厚度公差〈±0.1mm,偏心率<3arc min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，其特征是:所述凸透鏡安裝孔(2 )的內(nèi)側(cè)設有45 °的倒角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，其特征是:所述相機(4)為工業(yè)相機。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，其特征是:所述控制系統(tǒng)為計算機。
【文檔編號】G01C1/00GK203422085SQ201320385905
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月1日
【發(fā)明者】王建林, 林海榮 申請人:中鐵隧道股份有限公司, 上海米度測量技術(shù)有限公司