[發明專利]一種基于液體透鏡的大量程雙軸光電水平儀

有效

• 申請號: 202210837651.0
• 申請日: 2022-07-15
• 公開（公告）號: CN115164839B
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發明（設計）人: 李瑞君;許祥;趙壯志;馬少華;程真英
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01C9/06
• 分類號: G01C9/06;G01C15/00;G02B3/14
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

本發明公開了一種基于液體透鏡的大量程雙軸光電水平儀，平行且上下間隔設置上平板和下平板；在上平板頂面安裝激光發射器和第一直角棱鏡,在上平板底面設置液體透鏡；在下平板頂面固定安裝PSD位置探測器和第二直角棱鏡；水平儀以下平板放置在被測平面上；由激光發射器出射的激光光束經第一直角棱鏡轉折投向液體透鏡；液體透鏡出射光經第二直角棱鏡轉折出射形成檢測光，由PSD位置探測器通過對檢測光進行位置檢測獲得置于被測平面上的水平儀的傾斜角度。本發明保障大量程并兼顧分辨率，能夠在精密小角度測量中得到應用，包括在三坐標測量機、數控機床等精密小角度測量中進行應用，以及應用在平面度、平行度等其它精密測量領域。

技術領域

本發明涉及激光精密測量技術領域，更具體地說是一種用于二維傾斜角測量的大量程雙軸光電水平儀。

背景技術

在精密測量技術領域中，角度誤差是造成阿貝誤差的主要因素，制約著測量精度進一步提高，研究角度精密測量具有重要意義。水平儀作為一種小角度測量儀器在數控機床、三坐標角誤差測量、平面度測量、平行度測量等領域有著廣泛應用。隨著精密測量的不斷發展，對水平儀測量精度、測量范圍的要求也越來越高，尤其要求水平儀具有高精度、大量程等測量特點，在結構方面，如何實現緊湊化、輕量化，同樣是關注的焦點之一。

現有的氣泡水平儀、光學象限儀等傳統水平儀存在著讀數困難、測量分辨力和測量精度差等問題，一些基于自準直原理的光電水平儀大多采用四象限探測器作為傳感器，由于四象限探測器象限分割及存在死區的情況，大大限制了水平儀的量程范圍，大多數只有100″，線性度也難以進一步提升，因此制約測量精度，單純用PSD位置探測器替換四象限探測器的方式會使整體光路加長，儀器體積難以控制。

發明內容

本發明是為避免上述現有技術所存在的問題，提供一種結構簡單、體積小、成本低的基于液體透鏡的大量程雙軸光電水平儀，保障大量程并兼顧分辨率，使其在精密小角度測量中得到良好的應用。

本發明為解決技術問題采用如下技術方案：

本發明基于液體透鏡的大量程雙軸光電水平儀的特點是：平行且上下間隔設置上平板和下平板；在所述上平板的頂面固定安裝激光發射器和第一直角棱鏡,在所述上平板的底面利用容器固定座設置液體透鏡；在所述下平板的頂面固定安裝PSD位置探測器和第二直角棱鏡；所述水平儀是以下平板放置在被測平面上；設置所述激光發射器與第一直角棱鏡在上平板上的中心高度相同；設置所述PSD位置探測器和第二直角棱鏡在下平板上的中心高度相同；使得由所述激光發射器出射的激光光束投向第一直角棱鏡，并在所述第一直角棱鏡中轉折90°投向液體透鏡，形成液體透鏡入射光；液體透鏡出射光投向第二直角棱鏡，并在所述第二直角棱鏡中轉折90°出射形成檢測光，所述檢測光投向PSD位置探測器，由所述PSD位置探測器通過對所述檢測光進行位置檢測獲得置于被測平面上的水平儀的傾斜角度。

本發明基于液體透鏡的大量程雙軸光電水平儀的特點也在于：光束從液體透鏡出射至匯聚到PSD位置探測器的光敏面的行程為液體透鏡的一倍焦距。

本發明基于液體透鏡的大量程雙軸光電水平儀的特點也在于：所述液體透鏡是指：在設定曲率的透明容器中盛有具有設定厚度的透明液體形成的液體透鏡；以透明液體作為角度敏感器，感測傾斜角度的變化；透明液體的上表面為水平面，液體透鏡入射光在透明液體中發生偏折后形成液體透鏡出射光。

本發明基于液體透鏡的大量程雙軸光電水平儀的特點也在于：依據所述透明容器的曲率、透明液體的折射率計算獲得液體透鏡的焦距，設置PSD位置探測器的光敏面與液體透鏡的焦平面重合。

本發明基于液體透鏡的大量程雙軸光電水平儀的特點也在于：

由式(1)計算獲得液體透鏡的有效焦距f：

焦距與容器表面曲率半徑的關系為

式(1)中：