本發(fā)明涉及水平角度指示。

背景技術(shù)：

1、目前，絕對水平角度指示通常采用水準器、電子水平儀、水平液面三種方法實現(xiàn)。

2、其中，水準器是利用浮力豎直向上的原理，通過被測氣泡在密封液體中的偏移位置指示水平角度。其結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、成本低廉、已廣泛在儀器工具中集成。但水平氣泡或水平尺是利用目視判斷是否水平，準確度嚴重依賴檢測人員，且儀器靈敏度有限，很難超過0.01mm/m(10μrad)。

3、電子水平儀是利用電容式或電感式原理，通過懸掛的敏感元件在重力影響下的角度變化引起電學量變化，進而指示水平角度。電子水平儀的靈敏度一般可達0.001mm/m1μrad，可滿足一般精度的科學研究與工業(yè)生產(chǎn)需求。

4、特別地，研究人員提出過一種光電式水平儀，如南京理工大學袁紅星等人提出的psd構(gòu)成全方位高準確度數(shù)字水平儀，[儀器儀表學報，20(5)，517-518+544]。

5、該水平儀采用懸掛的帶配重的半導體激光器作為光源，在待測水平面上放置二維psd接收激光光點在psd表面上的位置，根據(jù)空間幾何關(guān)系反映水平角度。受限于當時1998年psd器件靈敏度僅10μm，該方案僅實現(xiàn)了9.25″準確度約45μrad。該方法的關(guān)鍵在于與重力方向平行的光軸，作為水平角度測量基準；而重力作用在半導體激光器與配重形成的整體，由其質(zhì)心與細線形成與重力方向平行的鉛垂線。該方案的不足在于，鉛垂線與光軸的平行度需要配重與細線之間的高精度加工裝調(diào)，加工裝調(diào)精度會直接影響光軸方向；此外，半導體激光器的發(fā)散角度較大，影響psd測量精度，而增加準直透鏡等光路元件又會增加裝置復雜度，引入加工和裝調(diào)誤差。因此，該方案仍存在一定的問題。

6、水平液面是目前精度最高的水平角度指示方法。該方法利用容器中流體中心形成水平反射表面，通過自準直原理指示水平角度。該方法的優(yōu)勢在于利用流體流動性，但同時也增加了系統(tǒng)復雜度。最理想的方法是采用開口容器，使光線不經(jīng)過其他器件，直接在液面發(fā)生反射。目前已知最優(yōu)的反射液體是汞，汞蒸氣對操作人員有嚴重的毒性。或采用特殊的硅油，但無論用何種液體，開口容器均會無法避免撒漏、蒸發(fā)等情況，影響使用。另一種方法是采用封閉的容器，但容器窗口的加工精度，如平面度和平行度以及液體對上內(nèi)表面的沾污會影響測量精度。例如臺灣省南亞技術(shù)學院，jingsyan?torng等人提出了一種基于液面浮球式平面鏡的雙軸光電水平測量方法，同樣地，在液體上表面以浮球的方式設置反射平面的方案也存在上述問題，且需考慮防撒漏設計，光機結(jié)構(gòu)更為復雜。

7、還有一種方法如2004年11月24日公開的專利文獻：cn1177240c，公開了具有中心自對準功能的光纖微透鏡加工方法，該方法通過在光纖的端頭附近懸掛有一個鉛錘，光纖穿過鉛錘的中心微孔，使光纖端頭露出一小部分，并夾持牢固，使得具有中心對準功能，但是無法保證重錘的質(zhì)心與光纖的光軸共線，不能保證測量的準確度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決現(xiàn)有絕對水平角度指示方法存在的準確度低和結(jié)構(gòu)復雜的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、本發(fā)明提供一種基于自準直原理的光纖式水平角度指示裝置，所述裝置包括光源、光纖重錘模塊、光強接收模塊和框架；

4、所述光源發(fā)射一束空間光，耦合進入到所述光纖重錘模塊中，所述光纖重錘模塊將入射光的方向轉(zhuǎn)換為豎直向下的，并發(fā)射至待測物體表面，所述待測物體將入射光反射，再反向耦合進所述光纖重錘模塊中，所述光纖重錘模塊將入射光傳輸至所述光強接收模塊中，所述光強接收模塊將入射光轉(zhuǎn)換為電信號；

5、所述框架用于懸掛所述光纖重錘模塊。

6、進一步，還有一種優(yōu)選實施例，上述光纖重錘模塊包括光纖和重錘。

7、所述光纖的一端固定在所述框架的上邊框上，所述光纖的另一端連接所述重錘；

8、所述光纖用于接收空間光，并在所述重錘的作用下將所述空間光的方向轉(zhuǎn)換為豎直向下的；同時接收所述待測物體的反射光，并傳輸至所述光強接收模塊。

9、進一步，還有一種優(yōu)選實施例，上述光纖采用單模光纖、單模保偏光纖和多模光纖中的任意一種實現(xiàn)。

10、進一步，還有一種優(yōu)選實施例，上述裝置還包括分光元件；

11、所述光源將空間光發(fā)射給所述分光元件，所述分光元件用于將接收到的空間光耦合射入所述光纖重錘模塊中，還用于接收由所述光纖重錘模塊的返回光，并將所述返回光傳輸至所述光強接收模塊中。

12、進一步，還有一種優(yōu)選實施例，上述分光元件采用空間光學元件或光纖元件實現(xiàn)。

13、進一步，還有一種優(yōu)選實施例，上述分光元件采用非偏振分光棱鏡、帶有四分之一波片的偏振分光棱鏡、1x2光纖分束器和環(huán)行器中的任意一種實現(xiàn)。

14、進一步地，還有一種優(yōu)選實施例，上述裝置還包括反射鏡；

15、所述反射鏡固定在待測物體上，用于接收所述光纖重錘模塊發(fā)射光，并將入射光反射，用于將反射光反向耦合給所述光纖重錘模塊。

16、進一步，還有一種優(yōu)選實施例，上述反射鏡的上表面為高平面度的高反射率表面。

17、進一步，還有一種優(yōu)選實施例，上述反射鏡的上表面還可以為高反射率表面，且下表面與上表面具有高平行度；

18、上述反射鏡的下端還可以為形狀和高度均可調(diào)節(jié)的三點接觸支腳。

19、本發(fā)明還提供一種基于自準直原理的光纖式水平角度指示方法，所述方法是基于上述任意一項所述的一種基于自準直原理的光纖式水平角度指示裝置實現(xiàn)的，所述方法為：

20、步驟一、采用光纖重錘模塊將光束傳播方向變?yōu)樨Q直向下，入射至待測物體表面或放置于待測物體表面的上述反射鏡上；

21、步驟二、待測物體或放置于待測物體表面的反射鏡使入射光束返回，并耦合進入所述光纖重錘模塊中；

22、步驟三、光纖重錘模塊將光束傳輸至光強接收模塊。通過調(diào)節(jié)待測物體的角度，至光強接收模塊接收到的光強為最大值時，即待測物體水平。

23、本發(fā)明的有益效果為：

24、1、本發(fā)明提供一種基于自準直原理的光纖式水平角度指示裝置，采用光纖作為重錘連接線，重力直接作用在光纖光軸，使光纖光軸拉直并垂直指向地心，作為高精度水平角度測量的基準；采用待測物體反射形成自準直光路，實現(xiàn)高精度的水平角度指示。避免了現(xiàn)有絕對水平角度指示方法存在的準確度低和結(jié)構(gòu)復雜的問題。同時，本發(fā)明靈敏度高，尤其適用于靈敏度在μrad以下的高精度水平角度指示場合。

25、本發(fā)明屬于克服現(xiàn)有技術(shù)偏見的發(fā)明創(chuàng)造：

26、本發(fā)明打破了現(xiàn)有采用激光器作為水平角度測量基準的慣用思路，即：水平角度指示裝置中需要單獨設置參考光線部件作為水平角度測量基準，而本發(fā)明提出了一種新的基于自準直原理的光纖式水平角度指示裝置，不需要單獨設置參考光線部件，就能夠?qū)崿F(xiàn)水平角度指示，克服了現(xiàn)有技術(shù)的偏見。

27、進一步地，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，省去了產(chǎn)生參考光線的部件，但是仍能實現(xiàn)水平指示，并且指示結(jié)果更精確，因此屬于節(jié)約要素的發(fā)明創(chuàng)造。

28、進一步地，本發(fā)明省去了產(chǎn)生參考光線的部件，使得結(jié)構(gòu)簡單，并且加工裝調(diào)難度降低。

29、進一步地，由于本發(fā)明中沒有產(chǎn)生參考光線的部件，因此測量原理與現(xiàn)有帶有參考光線的裝置的測量原理完全不同，因此，本發(fā)明是與現(xiàn)有技術(shù)發(fā)明構(gòu)思不同的發(fā)明創(chuàng)造。

30、進一步地，將重錘連接在光纖上，要保證重錘的質(zhì)心與光纖的光軸共線，并且固定方式不能夠?qū)е鹿饩€的形變，為了解決該問題，本發(fā)明通過將重錘設置為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，并基于重心補償原理，通過增加質(zhì)量塊，在光纖重錘周圍形成了一個新的、相對更加均勻可控的質(zhì)量分布區(qū)域，從而使經(jīng)過重錘重心的重力作用線與光纖軸線的偏移盡量小，同時，根據(jù)實際重心偏移位置，在不同位置合理分布環(huán)布的質(zhì)量塊，并控制它們嵌入的距離，可以使得這些配重塊產(chǎn)生的力矩總和能夠平衡重心偏離所產(chǎn)生的力矩，從而將重心逐漸拉回到光軸中心的位置，保證重錘的質(zhì)心與光纖的光軸共線，使得出射光完全垂直于水平面，同時將光纖粘接在重錘上，保證不會對光纖產(chǎn)生影響。

31、2、現(xiàn)有用psd構(gòu)成全方位高準確度數(shù)字水平儀，采用將半導體激光器與配重形成整體，使得配重的質(zhì)心與細線形成與重力方向平行的鉛垂線，即，形成與重力方向平行的光軸，作為水平角度測量基準。但是鉛垂線與光軸的平行度需要配重與細線之間的高精度加工裝調(diào)，加工裝調(diào)精度會直接影響光軸方向。本發(fā)明提供一種基于自準直原理的光纖式水平角度指示裝置，采用重錘固定在光纖的末端，用于拉直光纖光軸并使其豎直向下指向地心，形成與重力方向平行的光線，作為高精度水平角度指示的基準。雖然兩者采用的均為懸掛方案，但是兩者的“懸掛”存在本質(zhì)上的不同，用psd構(gòu)成全方位高準確度數(shù)字水平儀，采用的技術(shù)方案是將重力作用在激光器質(zhì)心，拉直懸吊激光器的細線，使激光器發(fā)出的光豎直向下。該方案必須滿足：細線懸掛點和質(zhì)心與激光器光軸共線，即，懸掛點和質(zhì)心通過激光器光軸的反向延長線。由于激光器內(nèi)部含有發(fā)光管或發(fā)光芯片、驅(qū)動電路板、散熱結(jié)構(gòu)，甚至包含光學元件和風扇，其質(zhì)心很難估計，因此必須進行高精度裝調(diào)。而本發(fā)明采用的技術(shù)方案只涉及光纖和重錘，重力作用在重錘質(zhì)心，拉直光纖。重錘可以為精密機床加工而成的回轉(zhuǎn)體，其材料均勻、質(zhì)心理想；重力直接拉直光纖光軸，不涉及細線與光軸之間的高精度裝調(diào)。同時，除重錘外，本方案光纖末端未安裝任何器件，同樣避免了多個器件非理想裝調(diào)影響測量精度。解決現(xiàn)有用psd構(gòu)成全方位高準確度數(shù)字水平儀，存在的配重與細線之間的高精度加工裝調(diào)精度會影響光軸方向的問題。

32、本發(fā)明適用于高端制造裝備、測量儀器和科學試驗設備的安裝調(diào)試過程中，針對敏感元件空間姿態(tài)與地面高精度水平的調(diào)節(jié)需求，提供高靈敏度的水平角度指示。