一種用于測(cè)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(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，涉及一種激光靶，本實(shí)用新型通過在前屏（8）上部的凸透鏡安裝孔（2）內(nèi)設(shè)置凸透鏡（1），可以使激光束聚焦到一點(diǎn)，光斑小、亮度高，使測(cè)量精度提高、測(cè)程加長(zhǎng)，同時(shí)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(dòng)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(hù)，進(jìn)一步在第二焦平面（9）上設(shè)置后靶屏，有效的解決了光斑不規(guī)則、后處理難度大、測(cè)量誤差大、測(cè)程短和激光相對(duì)于激光靶位置跳動(dòng)時(shí)，激光靶不能連續(xù)捕捉激光，導(dǎo)致自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)不能連續(xù)測(cè)量的弊端，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便等特點(diǎn)。
【專利說明】一種用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶
[0001]【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0002]本實(shí)用新型涉及一種激光靶，具體涉及一種用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶。[0003]【【背景技術(shù)】】
[0004]已知的，自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)是測(cè)量盾構(gòu)(TBM)位置的關(guān)鍵部件，其中盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，通過自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)連續(xù)地測(cè)量盾構(gòu)相對(duì)于設(shè)計(jì)隧道軸線的偏差，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)提供給主司機(jī)，進(jìn)而使主司機(jī)及時(shí)的調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，使盾構(gòu)能夠始終沿著設(shè)計(jì)軸線精確掘進(jìn)。
[0005]為了確保自動(dòng)導(dǎo)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(duì)位置，需要六個(gè)參數(shù)，即三個(gè)線元素和三個(gè)角元素，其中，三個(gè)線元素(X、Y、H)的測(cè)量由全站儀完成，三個(gè)角元素中的兩個(gè)一盾構(gòu)軸線相對(duì)于水平面的坡度角和滾動(dòng)角，由傾斜儀來測(cè)量，而針對(duì)第三個(gè)角元素的測(cè)量方法——盾構(gòu)軸線與設(shè)計(jì)隧道軸線在水平面上的夾角(偏航角)，則是影響整個(gè)自動(dòng)導(dǎo)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(cè)量方法，將自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)劃分為以下幾類:
[0006]第一種、陀螺儀法，該方法測(cè)量精度不穩(wěn)定，對(duì)人工介入依賴強(qiáng)，目前基本淘汰；
[0007]第二種、雙(三)棱鏡法，采用該方法進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是硬件制造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，但是存在測(cè)量精度低、需要較大的測(cè)量窗口、對(duì)全站儀精度要求高等缺點(diǎn)；
[0008]第三種、激光靶法，采用該方法進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是精度高、性能穩(wěn)定可靠、所需測(cè)量窗口小，但是其價(jià)格稍高，同樣是目前性能最先進(jìn)的自動(dòng)導(dǎo)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(cè)量盾構(gòu)的偏航角，具體如下:
[0010]1、采用轉(zhuǎn)動(dòng)的“陰屏”(類似百葉窗)加角度傳感器加激光強(qiáng)度傳感器，此種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)的“陰屏”故障率較高，前屏較大，易損傷；
[0011]2、采用雙相機(jī)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(gè)工業(yè)相機(jī)分別捕捉前后屏上的光點(diǎn)圖像，但是其缺點(diǎn)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(jī)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(jī)對(duì)準(zhǔn)后屏照相，但是其缺點(diǎn)是光斑不規(guī)則，測(cè)量誤差稍大，光斑較暗時(shí)，測(cè)程短，激光偏離小孔時(shí)，無法測(cè)量。
[0013]針對(duì)上述技術(shù)問題，如何提供一種較為適宜的激光靶來測(cè)量盾構(gòu)的偏航角就成了本領(lǐng)域技術(shù)人員的長(zhǎng)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(shí)用新型提供了一種用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，本實(shí)用新型通過在前屏上設(shè)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(shè)置相機(jī)，在第二焦平面上設(shè)置后靶屏，有效的解決了光斑不規(guī)則、后處理難度大、測(cè)量誤差大、測(cè)程短和激光相對(duì)于激光靶位置跳動(dòng)時(shí)，激光靶不能連續(xù)捕捉激光，導(dǎo)致自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)不能連續(xù)測(cè)量的弊端，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便等特點(diǎn)。[0016]為實(shí)現(xiàn)如上所述的發(fā)明目的，本實(shí)用新型采用如下所述的技術(shù)方案:
[0017]一種用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，包括凸透鏡、相機(jī)、棱鏡、前屏和第二焦平面，在所述前屏的上部設(shè)有凸透鏡安裝孔，在所述凸透鏡安裝孔上設(shè)有凸透鏡，在前屏下部的外側(cè)設(shè)有棱鏡，在第二焦平面上對(duì)應(yīng)凸透鏡的位置設(shè)有后靶屏，在凸透鏡和后靶屏之間設(shè)有相機(jī)，所述相機(jī)的鏡頭照準(zhǔn)后靶屏并通過數(shù)據(jù)線將拍攝到的光點(diǎn)圖像發(fā)送至控制系統(tǒng)形成所述的用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶。
[0018]所述的用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，所述凸透鏡和后靶屏之間設(shè)有傾斜儀。
[0019]所述的用于測(cè)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(gè)單軸傾斜儀。
[0020]所述的用于測(cè)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(cè)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(shè)有45°的倒角。
[0022]所述的用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，所述相機(jī)為工業(yè)相機(jī)。
[0023]所述的用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，所述控制系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)。
[0024]采用如上所述的技術(shù)方案，本實(shí)用新型具有如下所述的優(yōu)越性:
[0025]本實(shí)用新型所述的一種用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，本實(shí)用新型通過在前屏上設(shè)置凸透鏡，使激光束聚焦到一點(diǎn)，光斑小、亮度高，使測(cè)量精度提高、測(cè)程加長(zhǎng)，同時(shí)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(dòng)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(hù)，進(jìn)一步在前屏和后靶屏之間設(shè)置相機(jī)，在第二焦平面上設(shè)置后靶屏，有效的解決了光斑不規(guī)則、后處理難度大、測(cè)量誤差大、測(cè)程短和激光相對(duì)于激光靶位置跳動(dòng)時(shí)，激光靶不能連續(xù)捕捉激光，導(dǎo)致自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)不能連續(xù)測(cè)量的弊端，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便等特點(diǎn)。
[0026]【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0027]圖1是本實(shí)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(jī)；5、棱鏡；6、后靶屏；7、傾斜儀；8、前屏；9、第二焦平面。
[0029]【【具體實(shí)施方式】】
[0030]通過下面的實(shí)施例可以更詳細(xì)的解釋本實(shí)用新型，本實(shí)用新型并不局限于下面的實(shí)施例；
[0031]結(jié)合附圖1所述的一種用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，包括凸透鏡1、相機(jī)4、棱鏡
5、前屏8和第二焦平面9，在所述前屏8的上部設(shè)有凸透鏡安裝孔2，所述凸透鏡安裝孔2的內(nèi)側(cè)設(shè)有45°的倒角，此時(shí)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(dòng)幅度，設(shè)計(jì)口徑越大，激光靶工作適應(yīng)能力越強(qiáng)，但精度也會(huì)相應(yīng)降低，一般情況下，光學(xué)窗口達(dá)到Φ25_即能滿足精度要求，也可兼顧激光靶適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的能力，進(jìn)一步在所述凸透鏡安裝孔2上設(shè)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(shè)有棱鏡5，在第二焦平面9的上部對(duì)應(yīng)凸透鏡I的位置設(shè)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(shè)有相機(jī)4，所述相機(jī)4為工業(yè)相機(jī)，所述凸透鏡I和后靶屏6的下方靠近后靶屏6處設(shè)有傾斜儀7，所述傾斜儀7為雙軸傾斜儀或兩個(gè)單軸傾斜儀，所述相機(jī)4的鏡頭照準(zhǔn)靶屏6，并通過數(shù)據(jù)線將拍攝到的光點(diǎn)圖像發(fā)送至控制系統(tǒng)形成所述的用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，所述控制系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)。
[0032]實(shí)施本實(shí)用新型所述的一種用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶的一種用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶的測(cè)量方法，所述測(cè)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(shè)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(shí)設(shè)置在凸透鏡I與后靶屏6之間的相機(jī)4照準(zhǔn)后靶屏6，并拍攝光點(diǎn)圖像，然后相機(jī)4通過數(shù)據(jù)線將拍攝到的光點(diǎn)圖像發(fā)送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行后處理，計(jì)算出光點(diǎn)的相關(guān)坐標(biāo)，此時(shí)計(jì)算出的相關(guān)坐標(biāo)信息及時(shí)反饋給操作人員。
[0033]本實(shí)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(xué)系統(tǒng)后，出射光線交于第二焦平面9上的某一點(diǎn)。該點(diǎn)在第二焦平面9上的位置，決定于入射的平行光束相對(duì)于主光軸的方向。
[0035]針對(duì)自動(dòng)導(dǎo)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(cè)量出聚焦到后靶屏6上的激光點(diǎn)坐標(biāo)后，可反向計(jì)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(shí)時(shí)測(cè)量，相機(jī)4加計(jì)算機(jī)測(cè)量并計(jì)算出光點(diǎn)在焦平面上的坐標(biāo)，根據(jù)此原理可計(jì)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(cè)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(jī)捕捉圖像產(chǎn)生了下列特點(diǎn):
[0039]激光在屏幕玻璃和凸透鏡I之間會(huì)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(cè)量誤差、凸透鏡I和后靶屏6的位置和軸線安裝誤差、相機(jī)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(jī)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(shí)用新型在實(shí)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(duì)激光的反射。
[0043]凸透鏡I焦距與設(shè)計(jì)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(cè)量公差〈1%，凸透鏡I的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與激光波長(zhǎng)盡量相近，<±30nm，否則應(yīng)考慮設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與激光波長(zhǎng)差值對(duì)凸透鏡I焦距的影響，或利用全站儀激光實(shí)際測(cè)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(hù)玻璃之間的光線二次反射，激光波長(zhǎng)包含于鍍膜后的波長(zhǎng)窗口內(nèi)。
[0046]凸透鏡I光心平面位置安裝精度要求達(dá)到±0.5mm,此精度主要依賴于提高激光窗口的機(jī)械加工精度來滿足要求；安裝時(shí)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(jī)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(zhǎng)寬不小于根據(jù)測(cè)量偏航角的水平、豎直量程和凸透鏡I焦距計(jì)算出的尺寸，后靶屏6在后屏上的安裝誤差±0.5mm。
[0050]針對(duì)激光靶校正技術(shù)要求
[0051](I)以激光靶頂面四個(gè)角為準(zhǔn)，將激光靶安置水平，安置精度±0.5mm ；
[0052](2)以激光靶機(jī)械軸線為準(zhǔn)，確定地面中線標(biāo)志O1 (凸透鏡I光心投影點(diǎn))、02、A，其中^~α=2.000m，測(cè)設(shè)精度±0.5mm，該中線為激光靶軸線及其延伸線；
[0053](3)在A點(diǎn)處，測(cè)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(cè)量偏航角水平方向設(shè)計(jì)量程的1/2 (本激光靶設(shè)計(jì)量程為24%，換算成角度13.686。)，測(cè)設(shè)精度±0.5mm, B為后視點(diǎn)；
[0054](4)分別架設(shè)全站儀在L、A、R處，每處設(shè)站三次，使激光高度分別等于
【權(quán)利要求】
1.一種用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，包括凸透鏡(I)、相機(jī)(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(shè)有凸透鏡安裝孔(2)，在所述凸透鏡安裝孔(2)上設(shè)有凸透鏡(1)，在前屏(8)下部的外側(cè)設(shè)有棱鏡(5)，在第二焦平面(9)上對(duì)應(yīng)凸透鏡(I)的位置設(shè)有后靶屏(6)，在凸透鏡(I)和后靶屏(6)之間設(shè)有相機(jī)(4)，所述相機(jī)(4)的鏡頭照準(zhǔn)后靶屏(6)并通過數(shù)據(jù)線將拍攝到的光點(diǎn)圖像發(fā)送至控制系統(tǒng)形成所述的用于測(cè)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(cè)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(shè)有傾斜儀(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測(cè)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(gè)單軸傾斜儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)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(cè)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(shè)有45 °的倒角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)角的激光靶，其特征是:所述相機(jī)(4)為工業(yè)相機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)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(jì)算機(jī)。
【文檔編號(hào)】G01C1/00GK203422085SQ201320385905
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中鐵隧道股份有限公司, 上海米度測(cè)量技術(shù)有限公司