一種新型測(cè)高方法及測(cè)高儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種新型測(cè)高方法及測(cè)高儀，用于對(duì)高大物體的測(cè)量，是借助于激光器、觀察鏡筒和測(cè)角器件，在近測(cè)量者位置找到一點(diǎn)O，測(cè)得0點(diǎn)到測(cè)量物體最低點(diǎn)B的直線距離OB、到測(cè)量物體最高點(diǎn)C的直線距離OC，以及OB、OC這兩條直線所夾的夾角∠COB，利用三角形余弦定理計(jì)算出物體的高度BC。激光器與觀察鏡筒和測(cè)角器件組合，通過特殊的結(jié)構(gòu)限定，使其滿足測(cè)量條件，激光器可旋轉(zhuǎn)，觀察鏡可旋轉(zhuǎn)，因此可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)測(cè)量。觀察鏡筒、激光器、測(cè)角器件都可選擇普通的價(jià)值便宜的器件，所以成本低，測(cè)角器件可以選擇霍爾器件測(cè)量。
【專利說明】
一種新型測(cè)高方法及測(cè)高儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于測(cè)距尤其是測(cè)高技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的激光測(cè)高儀及測(cè)高方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)實(shí)中，對(duì)物體的高度進(jìn)行測(cè)量，是一個(gè)基本的經(jīng)常性測(cè)量活動(dòng)。很多高的物體，沒有辦法用常規(guī)的、簡單的方法測(cè)量它們的高度，特別是在林業(yè)、地質(zhì)、礦山、電力、通訊、路橋、水利、建筑工程及大型工程安裝等領(lǐng)域中，只能是非接觸式的測(cè)量。要廣泛地應(yīng)用測(cè)高儀快速準(zhǔn)確地獲取出物體的高度值。
[0003]樹木高度的測(cè)量是評(píng)價(jià)立地質(zhì)量和樹木生長狀況的重要依據(jù)，樹木高度的測(cè)定是林業(yè)生產(chǎn)和森林資源調(diào)查中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。目前國內(nèi)外對(duì)樹木所采取的測(cè)高方法主要有:測(cè)量尺法測(cè)樹高，全站儀法測(cè)樹高，超聲波法測(cè)樹高，激光測(cè)距測(cè)角法測(cè)樹高，以及航拍、分析照片法測(cè)樹高等。
[0004]傳統(tǒng)的樹木測(cè)高法如測(cè)量尺法，雖然人們不斷改進(jìn)測(cè)高儀的設(shè)計(jì)方案，發(fā)明了多種相對(duì)簡便易行的裝置，但是總體來說該方法操作難度大，誤差較大，并且對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理較麻煩，效率十分低下。全站儀測(cè)樹高雖然提高了精度與效率，降低了外業(yè)計(jì)算和記錄，并且減少了作業(yè)時(shí)間，但是全站儀功能繁多，使用復(fù)雜，對(duì)環(huán)境要求較高。超聲波測(cè)高法一般應(yīng)用于電纜和橫梁等物體架高的測(cè)量，價(jià)格較低，精度較高，但是比較容易受到被測(cè)物體背景物的干擾，測(cè)量時(shí)需要操作者站在被測(cè)物的下方，這會(huì)在某些場(chǎng)合引起不便。航拍分析照片法成本高，并且精度低，受天氣影響較大。
[0005]激光測(cè)高法采用激光測(cè)距原理，無需測(cè)量儀器與目標(biāo)間的水平距離，是一種集光、機(jī)、電為一體的高精度測(cè)量儀器，并且使用方便、快捷。激光測(cè)高儀相對(duì)測(cè)高工具而言，精度最高，操作也最為方便，但是其價(jià)格昂貴，也容易受到雨雪霧等不良天氣的影響。激光測(cè)距儀通過激光傳感器和傾斜角傳感器提供即時(shí)的距離和角度值。在進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，由發(fā)射鏡射出一束紅外線，紅外線碰到目標(biāo)物反射回接收鏡，激光傳感器則以計(jì)算紅外線短脈沖飛逝的時(shí)間計(jì)算確定距離值，傾斜角傳感器則負(fù)責(zé)測(cè)量垂角，然后計(jì)算確定高度、仰角、斜度、水平距離等數(shù)據(jù)資料。
[0006]由上述可知，在現(xiàn)有技術(shù)中，還不存在既可以實(shí)現(xiàn)比較簡單同時(shí)造價(jià)成本又非常低的測(cè)高儀及測(cè)高方法，如果能夠提供具有上述功能的測(cè)高儀及測(cè)高方法，在林業(yè)的管理方面將會(huì)有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種新型測(cè)高方法及測(cè)高儀，是一種基于激光測(cè)距法的新型測(cè)高方法，及利用激光器件和霍爾器傳感件的測(cè)高儀。其特點(diǎn)是非接觸測(cè)量，無需移動(dòng)儀器即可測(cè)量，測(cè)量方法準(zhǔn)確，精度高，使用的儀器小巧靈便，且便宜，成本低于市場(chǎng)同類產(chǎn)品60%多。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種新型測(cè)高方法，是借助于激光器、觀察鏡筒和測(cè)角器件，在近測(cè)量者位置找到一點(diǎn)0，測(cè)得O點(diǎn)到測(cè)量物體最低點(diǎn)B的直線距離0B、到測(cè)量物體最高點(diǎn)C的直線距離0C，以及0B、0C這兩條直線所夾的夾角ZC0B，利用三角形余弦定理計(jì)算出物體的高度BC ；
[0009]其中，所述O點(diǎn)是激光器的激光發(fā)射點(diǎn)；
[0010]測(cè)量中，所述觀察鏡筒不僅跟隨激光器同步轉(zhuǎn)動(dòng)，而且自身還能擺動(dòng)；
[0011]所述測(cè)角器件測(cè)量激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和觀察鏡筒的擺動(dòng)角度，其中所述激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度就是ZC0B。
[0012]進(jìn)一步講，測(cè)量0B、0C的方法是:
[0013]設(shè)A點(diǎn)是觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)，保證擺動(dòng)支點(diǎn)A到激光發(fā)射點(diǎn)O的距離OA固定不變，同時(shí)保證O、A連線與激光發(fā)射光軸垂直，且始終處于同一平面內(nèi)；
[0014]在測(cè)量時(shí)當(dāng)激光對(duì)準(zhǔn)B點(diǎn)時(shí)，以及觀察鏡筒擺動(dòng)對(duì)準(zhǔn)B點(diǎn)時(shí)，O、A、B三點(diǎn)構(gòu)成直角三角形，觀察線與0、A連線的夾角ΖΒΑ0，通過距離0A，利用三角形正切定理就得到OB的值:
[0015]OB = OA* tan Z ΒΑ0;
[0016]在測(cè)量時(shí)當(dāng)激光對(duì)準(zhǔn)C點(diǎn)時(shí)，以及觀察鏡筒擺動(dòng)對(duì)準(zhǔn)C點(diǎn)時(shí)，O、A、C三點(diǎn)構(gòu)成直角三角形，觀察線與OA連線的夾角ZCA0，通過距離0A，利用正切定理就得到OC的值:
[0017]OC = OA* tan Z CAO ο
[0018]進(jìn)一步講，測(cè)量ZBAO和ZCAO的方法是:
[0019]利用霍爾傳感器或光電傳感器，當(dāng)所述觀察鏡筒相對(duì)于一靜止器件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器或光電傳感器隨著感應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的變化，發(fā)出感應(yīng)信號(hào)，對(duì)應(yīng)獲得觀察鏡筒轉(zhuǎn)過的角度。
[0020]進(jìn)一步講，測(cè)量ZCOB的方法是:
[0021]利用霍爾傳感器或光電傳感器，當(dāng)所述激光器相對(duì)于一靜止器件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器或光電傳感器隨著感應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的變化，發(fā)出感應(yīng)信號(hào)，對(duì)應(yīng)獲得激光器轉(zhuǎn)過的角度。
[0022]本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)所述測(cè)高方法的測(cè)高儀，其特征在于:包括一激光器、一觀察鏡筒、兩組能夠測(cè)量激光器轉(zhuǎn)動(dòng)角度和觀察鏡筒擺動(dòng)角度的測(cè)量器件，以及支撐體；
[0023]所述激光器轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在支撐體上，且?guī)?dòng)所述觀察鏡筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，所述觀察鏡筒還可獨(dú)立擺動(dòng)；
[0024]所述觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)與激光器的發(fā)射光軸在同一平面內(nèi)，且觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)到激光發(fā)射點(diǎn)的連線與激光器的發(fā)射光軸始終垂直，且觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)到激光發(fā)射點(diǎn)的距離固定不變。
[0025]進(jìn)一步講，所述激光器的前方可設(shè)置一會(huì)聚透鏡。
[0026]進(jìn)一步講，所述支撐體包括一底座、一轉(zhuǎn)動(dòng)桿和一U形夾持塊；
[0027 ]底座上端設(shè)一橫向穿孔，橫向穿孔內(nèi)裝滾動(dòng)軸承，所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿穿過橫向穿孔；
[0028]轉(zhuǎn)動(dòng)桿一端與U形夾持塊固定連接，另一端與所述激光器固定連接;所述觀察鏡筒通過頂針安裝在U形夾持塊中間；
[0029]定義所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的軸線延長線與觀察鏡筒的觀察線的交點(diǎn)，為所述觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)；
[0030]定義所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的軸線與激光器的發(fā)射光軸的交點(diǎn)，為激光發(fā)射點(diǎn)；
[0031]所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的軸線、激光器的發(fā)射光軸、觀察鏡筒的觀察線，這三條線始終處在同一個(gè)平面內(nèi)，且激光器的發(fā)射光軸與轉(zhuǎn)動(dòng)桿的軸線始終保持垂直。
[0032]進(jìn)一步講，所述兩組能夠測(cè)量激光器轉(zhuǎn)動(dòng)角度和觀察鏡筒擺動(dòng)角度的測(cè)量器件，為兩組霍爾傳感器與磁鋼的組合；
[0033]其中一組霍爾傳感器與磁鋼的組合中，霍爾傳感器用膠黏在轉(zhuǎn)動(dòng)桿上，磁鋼用膠黏在底座上；另一組霍爾傳感器與磁鋼的組合中，霍爾傳感器用膠黏在觀察鏡筒上，磁鋼用膠黏在U形夾持塊上;霍爾傳感器通過感受磁通變化，輸出變化的電壓，從而反演出霍爾傳感器相對(duì)磁鋼位置的變化。
[0034]進(jìn)一步講，在所述觀察鏡筒中，還在遠(yuǎn)目端設(shè)置一90°擋片，其頂點(diǎn)位于鏡筒中心線上;在近目端設(shè)置一360°擋片，在360°擋片中心開有一個(gè)微小圓孔，其圓心位于鏡筒中心線上;測(cè)量時(shí)，人眼通過微小圓孔觀察，遠(yuǎn)目端的擋片90°頂點(diǎn)與觀察目標(biāo)點(diǎn)重合。
[0035]本發(fā)明把三角形原理巧妙地結(jié)合到物體測(cè)高中來，利用可測(cè)參數(shù)換算出難以測(cè)量的參數(shù)，方法簡單易行，操作過程不復(fù)雜。方法所借助的測(cè)量工具成本低，結(jié)構(gòu)也比較簡單，直接成本約:線性霍爾器件5元/個(gè)，磁鋼I元/個(gè)，激光器60元/只，機(jī)械部分500元，AD轉(zhuǎn)換器800元，其他100元，足可以見，其成本非常低廉。
【附圖說明】
[0036]圖1是激光測(cè)距法的原理圖；
[0037]圖2是本發(fā)明的測(cè)高原理圖；
[0038]圖3a是本發(fā)明測(cè)高儀的結(jié)構(gòu)主視示意圖；
[0039]圖3b是本發(fā)明測(cè)高儀的結(jié)構(gòu)左視示意圖；
[0040]圖3c是本發(fā)明測(cè)高儀的結(jié)構(gòu)俯視示意圖；
[0041 ]圖4是觀察鏡筒擺動(dòng)測(cè)量的示意圖；
[0042]圖5a是圖3中A向視圖，即從與觀察者相對(duì)的方向看鏡筒里部的局部放大圖；
[0043]圖5b是圖3中B向視圖，即從與觀察者同方向看鏡筒里部的局部放大圖。
[0044]圖中標(biāo)號(hào):1-底座，2-U形夾持塊，3-觀察鏡筒，4-激光器，5_轉(zhuǎn)動(dòng)桿，6_軸承蓋，7_支架，8-第一霍爾傳感器，9-第一磁鋼，10-第二霍爾傳感器，11-第二磁鋼，12-滾動(dòng)軸承，13、14-頂針。
【具體實(shí)施方式】
[0045]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該知道，以下實(shí)施例并不是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作的唯一限定，凡是在本技術(shù)方案精神實(shí)質(zhì)下所做的任何等同變換或改動(dòng)，均應(yīng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0046]如圖1所示，對(duì)于要測(cè)定的一個(gè)物體的高度，當(dāng)無法近距離接觸它或高度很高時(shí)，如果我們能夠知道某一點(diǎn)0(這點(diǎn)是與測(cè)量者近距離的位置)到該物體的最低點(diǎn)B的直線距離0B、到該物體的最高點(diǎn)C的直線距離0C，以及這兩條直線所夾的夾角ZC0B，就可以利用三角形的余弦定理計(jì)算出物體的高度BC值了。
[0047]這就是本發(fā)明給出的測(cè)高方法的基本原理?；诖嗽?，隨之而來的要解決的問題就是如何獲得OB、OC和ZCOB，所以物體測(cè)高的關(guān)鍵就集中在了測(cè)量OB、OC和ZCOB上了。
[0048]對(duì)于OB和OC的長度，如果物體與測(cè)量者的距離很遠(yuǎn)，或者物體較高，也是無法直接測(cè)量的。因此，在我們決定借助于激光器和觀察鏡筒等工具來測(cè)量時(shí)，我們就可以利用這個(gè)方法來實(shí)現(xiàn)。
[0049]對(duì)于OB和OC的測(cè)量，我們進(jìn)一步采取如下方法:如圖2所示，設(shè)A點(diǎn)是觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)(觀察鏡筒可擺動(dòng)，尋找激光束的照射點(diǎn))，設(shè)O點(diǎn)是激光發(fā)射點(diǎn)，保證擺動(dòng)支點(diǎn)到激光發(fā)射點(diǎn)的距離固定不變，且OA連線始終與激光發(fā)射光軸處于同一平面內(nèi)，同時(shí)OA連線始終與激光發(fā)射光軸(發(fā)射的激光束的方向，如圖2中的OB方向)垂直。這樣當(dāng)我們要測(cè)量OB的距離時(shí)，0、Α、Β三點(diǎn)構(gòu)成直角三角形，就可以通過得知觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)A與激光發(fā)射點(diǎn)O的距離0A，以及觀察鏡筒擺動(dòng)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，觀察線與OA連線的夾角ΖΒΑ0，通過正切定理得到OB的值:
[0050]OB = OA* tan Z BAO
[0051]觀察鏡筒和激光器都安裝在儀器上，所以0、A兩點(diǎn)的距離方便測(cè)得；ZBAO是鏡筒觀察線與OA連線的夾角，也可以理解為觀察鏡筒從起始位轉(zhuǎn)過的角度，在0、A位置固定的基礎(chǔ)上，在儀器上安裝測(cè)角器件，這個(gè)角度就可以方便測(cè)得。所以，所有參數(shù)的測(cè)量都集中到儀器上了。
[0052 ]同理，利用同樣方法也可獲得OC的值。
[0053]對(duì)于ZCOB，我們可以采取如下辦法:ZCOB，是指激光從物體的最低點(diǎn)掃描到最高點(diǎn)的掃射角度，所以只要想辦法測(cè)出激光器測(cè)量過程中轉(zhuǎn)過的角度，就是這個(gè)角度了。激光器在測(cè)量過程中轉(zhuǎn)過的角度，可以通過在儀器上設(shè)置測(cè)角器件，即可方便獲得。ZCOB的測(cè)量也集中到了儀器上。
[0054]所以在測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)激光器分別對(duì)準(zhǔn)物體最低測(cè)量點(diǎn)B和最高測(cè)量點(diǎn)C，同時(shí)測(cè)得激光器轉(zhuǎn)過的角度ZCOB;當(dāng)光束分別打到B點(diǎn)時(shí)和C點(diǎn)時(shí)，同步旋轉(zhuǎn)觀察鏡筒，對(duì)準(zhǔn)物體最低測(cè)量點(diǎn)B和最高測(cè)量點(diǎn)C，分別測(cè)得觀察鏡筒至物體最低測(cè)量點(diǎn)B的觀察線(AB)與鏡筒擺動(dòng)支點(diǎn)至激光器發(fā)射點(diǎn)連線(OA)的夾角(ZBAO)、觀察鏡筒至物體最高測(cè)量點(diǎn)C的觀察線(AC)與鏡筒擺動(dòng)支點(diǎn)至激光器發(fā)射點(diǎn)連線(OA)的夾角(ZCAO)，再結(jié)合已知的觀察鏡筒擺動(dòng)支點(diǎn)與激光器發(fā)射點(diǎn)的距離0A，通過這些條件就可以測(cè)量物體高度了。這種測(cè)量方式，不管激光器處于什么位置，是手持還是坐立，只要保證觀察鏡筒與激光器在儀器設(shè)置上保持相對(duì)固定的位置關(guān)系，都可以測(cè)量。
[0055]上述給出的本發(fā)明的測(cè)高方法，具體而言，操作中可包括如下步驟:
[0056]I)使用激光器先后發(fā)射出可見激光束，分別照射到測(cè)量物體的最低點(diǎn)B和最高點(diǎn)C，同時(shí)用觀察鏡筒觀察激光束的照射位置是否位于最低點(diǎn)和最高點(diǎn)；
[0057]保持觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)A與激光器的發(fā)射點(diǎn)O相對(duì)位置不變，且觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)與激光器的發(fā)射點(diǎn)的連線OA始終與激光發(fā)射光軸垂直；
[0058]2)計(jì)算激光束從物體的最低點(diǎn)到物體的最高點(diǎn)的過程中，所轉(zhuǎn)過的角度ZCOB;
[0059]3)分別計(jì)算觀察鏡筒在觀察物體最低點(diǎn)時(shí)，鏡筒觀察線與觀察鏡筒擺動(dòng)支點(diǎn)到激光器發(fā)射點(diǎn)連線的夾角ΖΒΑ0，以及觀察鏡筒在觀察物體最高點(diǎn)時(shí)，鏡筒觀察線與觀察鏡筒擺動(dòng)支點(diǎn)到激光器發(fā)射點(diǎn)連線的夾角ZCAO;
[0060]4)利用三角形正切函數(shù)式，根據(jù)觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)與激光器的發(fā)射點(diǎn)的距離0A，以及兩個(gè)角度ZBAO和ZCA0，分別計(jì)算激光器的發(fā)射點(diǎn)O到物體最低點(diǎn)B的距離0B，以及激光器的發(fā)射點(diǎn)O到物體最高點(diǎn)C的距離OC;
[0061 ] 5)利用三角形余弦定理，根據(jù)角度ZCOB和0B、0C的值，計(jì)算出物體的高度BC。
[0062 ] 上述過程中，在測(cè)量角度Z COB、Z BAO、Z CAO時(shí)，可以采用任何可測(cè)量的器件，如光電傳感器，霍爾傳感器等。
[0063]進(jìn)一步地，在激光器的前方可設(shè)置一會(huì)聚透鏡。遠(yuǎn)距離觀察時(shí)，觀察鏡筒可使用高倍望遠(yuǎn)鏡。
[0064]當(dāng)然，利用這種方法，并不意味著只能夠測(cè)出物體的全高，實(shí)際上物體的任何的一段高度(或稱長度)都是可以測(cè)量的。
[0065]為了實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量方法，由此應(yīng)運(yùn)而生一種測(cè)高儀器。該測(cè)高儀，必然包括一激光器、一觀察鏡筒、能夠測(cè)量激光器擺動(dòng)角和觀察鏡筒擺動(dòng)角的測(cè)量器件，以及這些所有器件的支撐體。在該儀器中，激光器和觀察鏡筒均可獨(dú)立擺動(dòng)，但是要保持激光器與觀察鏡筒的相對(duì)位置固定，即始終保持觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)與激光器的發(fā)射光軸在同一平面內(nèi)，且觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)到激光發(fā)射點(diǎn)的連線與激光器的發(fā)射光軸始終垂直。如果用三維坐標(biāo)系來形容該儀器中激光器和觀察鏡筒的運(yùn)動(dòng)，則可表示為，激光器帶動(dòng)觀察鏡筒一起繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)觀察鏡筒又可獨(dú)立地在水平軸與激光發(fā)射光軸構(gòu)成的平面內(nèi)做平面擺動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)的結(jié)合，覆蓋立體空間，可以將激光器的照射點(diǎn)用觀察鏡筒觀察到。
[0066]圖3a_3c所示給出了本發(fā)明測(cè)高儀的一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)。如圖，該測(cè)高儀主要包括底座I，U形夾持塊2，觀察鏡筒3，激光器4，轉(zhuǎn)動(dòng)桿5，以及兩組霍爾傳感器與磁鋼的組合。
[0067]底座I，可以是一手持桿，也可以在手持桿下端通過設(shè)置螺紋等連接到其他固定座或三角架上，成為坐設(shè)件。由于激光器和觀察鏡筒以及霍爾器件等都不大，所以本發(fā)明小巧，質(zhì)量輕，可以手持也可以座設(shè)到其他固定物上測(cè)量，操作很方便。
[0068]底座上端鉆一橫向穿孔，孔內(nèi)裝滾動(dòng)軸承12，孔端部可安裝軸承蓋6，防止軸承滑脫，保護(hù)軸承。轉(zhuǎn)動(dòng)桿5穿過滾動(dòng)軸承12及軸承蓋6的中心孔，由底座支撐住。轉(zhuǎn)動(dòng)桿5—端與U形夾持塊2固定連接，轉(zhuǎn)動(dòng)桿5和U形夾持塊2可以同步轉(zhuǎn)動(dòng)，形成儀器動(dòng)作一。在轉(zhuǎn)動(dòng)桿5的另一端固定安裝激光器4，激光器4的發(fā)射孔中心線(也即激光發(fā)射光軸)與轉(zhuǎn)動(dòng)桿5的軸線垂直相交且始終處于同一平面內(nèi)，交叉點(diǎn)就定義為激光發(fā)射點(diǎn)(發(fā)射中心)。
[0069]U形夾持塊2包括一塊垂直連接板和兩塊平行板，其中垂直連接板與所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿5固定連接，而觀察鏡筒3通過頂針13、14安裝在U形夾持塊2的兩塊平行板之間。在觀察鏡筒的外壁上，對(duì)稱開設(shè)兩個(gè)錐形窩，錐形窩不穿透鏡筒壁，因此不會(huì)破壞觀察孔，在兩個(gè)錐形窩中分別裝入頂針13、14，頂針是由外部穿過U形夾持塊2頂在錐形窩中，因此可以將觀察鏡筒連接在U形夾持塊上。又由于是錐形窩，所以頂針和錐形窩之間可以發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以觀察鏡筒可以擺動(dòng)，形成儀器動(dòng)作二。
[0070]將轉(zhuǎn)動(dòng)桿5的軸線延長線與觀察鏡筒的觀察孔中心線(即觀察線)的交點(diǎn)定為觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)(也就是頂針指向的位置)，擺動(dòng)支點(diǎn)與激光器發(fā)射點(diǎn)的距離固定不變。同時(shí)，激光器4的發(fā)射孔中心線(即激光發(fā)射光軸)、轉(zhuǎn)動(dòng)桿5的軸線、觀察鏡筒3的觀察孔中心線，都處于同一平面內(nèi)。
[0071]由此可知，觀察鏡筒3的觀察孔中心線、激光器4的發(fā)射孔中心線、轉(zhuǎn)動(dòng)桿5的軸線，三條線始終處在同一個(gè)平面內(nèi)，且激光器4的發(fā)射孔中心線與轉(zhuǎn)動(dòng)桿5的軸線始終保持垂直，轉(zhuǎn)動(dòng)桿5的軸線與觀察鏡筒相交于擺動(dòng)支點(diǎn)，這是保證測(cè)量的基礎(chǔ)條件。
[0072]實(shí)際上這樣做的原理就是觀察鏡筒3的擺動(dòng)支點(diǎn)與激光器4的發(fā)射點(diǎn)之間的距離代表前述方法中的OA值，激光器4的發(fā)射孔中心線與轉(zhuǎn)動(dòng)桿5的軸線保持垂直就是保證OA與OB(OC)垂直。
[0073]儀器的動(dòng)作一(轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿5)是為了調(diào)整激光的角度，使激光對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)，儀器的動(dòng)作二 (擺動(dòng)觀察鏡筒3)是為了調(diào)整觀察鏡筒的角度，使人眼透過鏡筒對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)。動(dòng)作一測(cè)量前述的ZCOB，動(dòng)作二測(cè)量前述的ZBAO和ZCA0。
[0074]在測(cè)量角度的方法中，本實(shí)施例采用線性霍爾傳感器與磁鋼的互感來測(cè)量?；魻杺鞲衅髋c永久磁鋼配合工作，其特性是:磁鋼與霍爾傳感器相距適當(dāng)?shù)木嚯x，磁鋼的磁場(chǎng)施加于霍爾傳感器，當(dāng)有工作電壓施加于霍爾傳感器時(shí)，其輸出端就會(huì)輸出一個(gè)電壓值;當(dāng)磁鋼與霍爾傳感器間的間距發(fā)生變化時(shí)，磁通量發(fā)生變化，霍爾傳感器感受磁通的變化，其輸出電壓就會(huì)發(fā)生變化，所以根據(jù)電壓值的變化就可以反演出兩者間距值的變化。利用此，我們就可以標(biāo)定出相對(duì)確定的磁鋼和霍爾傳感器，兩者之間距離通過對(duì)應(yīng)的電壓輸出值建立一一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以此作為參考，實(shí)際應(yīng)用中，由查詢相應(yīng)的電壓值就可反演出兩者的距離變化。同理，在轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合，經(jīng)過標(biāo)定，也可以標(biāo)定出霍爾傳感器輸出的電壓值與磁鋼和霍爾傳感器之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度關(guān)系。
[0075]所以，本發(fā)明設(shè)置兩組線性霍爾傳感器和永久磁鋼的組合。如圖3b所示，圖3b所示，其中一組是第一霍爾傳感器8和第一磁鋼9的組合，該組是用于檢測(cè)激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。第一磁鋼9用膠黏在轉(zhuǎn)動(dòng)桿5上，第一霍爾傳感器11用膠黏在軸承蓋6上，或者相反安裝也可以。還或者，磁鋼和黏霍爾傳感器其一固定在轉(zhuǎn)動(dòng)桿5上，另一個(gè)固定在底座I的其他部位也可以，只要霍爾傳感器能感受到磁通變化就行?；魻杺鞲衅髋c磁鋼相距一定的距離，這個(gè)距離在霍爾傳感器的有效感應(yīng)范圍內(nèi)就可以。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿5擺動(dòng)時(shí)，第一霍爾傳感器8和第一磁鋼9的間距就變化，使霍爾傳感器的磁通發(fā)生改變。由于磁通變化，霍爾傳感器的輸出電壓也將隨之變化，通過檢測(cè)該電壓就可以獲得轉(zhuǎn)動(dòng)桿5轉(zhuǎn)過的角度，即激光器轉(zhuǎn)過的角度。
[0076]這組組合用于檢測(cè)前述的Z⑶B，即激光器在掃射物體最低點(diǎn)到最高點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)過的角度。設(shè)初始激光器初始位置時(shí)與水平向夾角為Ζαο，當(dāng)激光器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)B時(shí)，通過霍爾傳感器輸出的電壓值換算得到激光器的角度變?yōu)閆a1當(dāng)激光器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)C時(shí)，通過輸出的電壓值換算得到角度變?yōu)棣Ζ?，則激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度ZCOB為:
[0077]ZCOB= I (Za2-Za0)-(Za1-Za0) I
[0078]當(dāng)然初始角度為0，即ZaQ= 0，計(jì)算較為簡便。
[0079]另外一組是第二霍爾傳感器10和第二磁鋼11的組合，如圖3c所示，這組組合是用于觀察鏡筒對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)B時(shí)測(cè)量ZBAO，以及觀察鏡筒對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)C時(shí)測(cè)量ZCA0。第二霍爾傳感器10用膠黏在觀察鏡筒3上，第二磁鋼11用膠黏在支架7上，支架7固定在U形夾持塊2上，或者兩者反位置安裝也可以。還或者，磁鋼和霍爾傳感器其一固定在觀察鏡筒3上，另一個(gè)直接固定在U形夾持塊上或其他部位也可以，只要霍爾傳感器能感受到磁通變化就行?；魻杺鞲衅髋c磁鋼相距一定的距離，這個(gè)距離在霍爾傳感器的有效感應(yīng)范圍內(nèi)就可以。工作中，當(dāng)觀察鏡筒3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第二霍爾傳感器10和第二磁鋼11的角度就發(fā)生相對(duì)變化，霍爾器件8的輸出電壓也發(fā)生變化，從而檢測(cè)出角度，道理同第一組霍爾傳感器和磁鋼。
[0080]以下說明前述ZBAO和ZCAO的檢測(cè)方法。同樣，設(shè)初始標(biāo)定的第二霍爾傳感器10和第二磁鋼11的角度為Ζβο，當(dāng)觀察鏡筒3對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)B時(shí)，如圖4所示，測(cè)得第二霍爾傳感器1輸出的電壓值對(duì)應(yīng)的角度為Z扮，則
[0081]ZBAO= I Ζβι-Ζβο|
[0082]當(dāng)觀察鏡筒3對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)C時(shí)，測(cè)得第二霍爾傳感器10輸出的電壓值對(duì)應(yīng)的角度為Z γ I，則
[0083]ZCAO= I Z γι-Ζβο|
[0084]人眼觀察時(shí)，觀察鏡筒的觀察孔中心線是否與目標(biāo)點(diǎn)完全對(duì)準(zhǔn)，兩者在一條直線上，也是測(cè)量的關(guān)鍵，其實(shí)質(zhì)就是找準(zhǔn)ZBAO和ZCA0。所以采取的辦法是，結(jié)合圖5a和圖5b看，觀察鏡筒3是中空的圓筒，在其兩端各設(shè)置有形狀不同的擋片:遠(yuǎn)目端為90°擋片，其頂點(diǎn)位于鏡筒中心線，如圖5a所示;近目端為一360°擋片，僅在擋片中心開有一個(gè)微小圓孔，其圓心位于鏡筒中心線上，如圖5b所示。測(cè)量時(shí)，人眼通過微孔觀察，使遠(yuǎn)目端的擋片90°頂點(diǎn)與觀察目標(biāo)點(diǎn)重合，實(shí)現(xiàn)鏡筒軸線與觀察目標(biāo)成一直線。
[0085]知道ZBAO和OA的值(OA是觀察鏡筒3的擺動(dòng)支點(diǎn)與激光器4的發(fā)射點(diǎn)之間的距離)，利用三角函數(shù)公式可以計(jì)算出OB的長度;知道ZCAO和OA的值，利用三角函數(shù)公式可以計(jì)算出OC的長度。前述已經(jīng)知道ZCOB的值，所以，利用三角函數(shù)公式可以計(jì)算出BC的長度，即物體的高度(B點(diǎn)和C點(diǎn)對(duì)應(yīng)物體的最低點(diǎn)和最高點(diǎn))。
[0086]霍爾傳感器的輸出電壓可以用高精度電壓表測(cè)得，然后換算出相對(duì)于磁鋼的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值，或通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)輸入電腦，由軟件處理后獲得測(cè)量值。
[0087]本發(fā)明利用三角函數(shù)解算距離關(guān)系，結(jié)合新設(shè)計(jì)的儀器，通過可測(cè)得的參數(shù)換算出難于獲得的參數(shù)，方法簡單;在設(shè)備上，可以使用普通的激光器和觀察鏡筒，附加兩組霍爾器件和磁鋼即可，成本也比較低。按目前市場(chǎng)價(jià)，約算線性霍爾器件5元/個(gè)，磁鋼I元/個(gè)，激光器60元/只，機(jī)械部分500元，AD轉(zhuǎn)換器800元(或者不用)，其他100元，合計(jì)成本在1500元左右，比目前市場(chǎng)所有同類功能產(chǎn)品價(jià)格低很多。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種新型測(cè)高方法，其特征在于:借助于激光器、觀察鏡筒和測(cè)角器件，在近測(cè)量者位置找到一點(diǎn)O，測(cè)得O點(diǎn)到測(cè)量物體最低點(diǎn)B的直線距離0B、到測(cè)量物體最高點(diǎn)C的直線距離0C，以及OB、OC這兩條直線所夾的夾角ZCOB，利用三角形余弦定理計(jì)算出物體的高度BC; 其中，所述O點(diǎn)是激光器的激光發(fā)射點(diǎn)； 測(cè)量中，所述觀察鏡筒不僅跟隨激光器同步轉(zhuǎn)動(dòng)，而且自身還能擺動(dòng)； 所述測(cè)角器件測(cè)量激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和觀察鏡筒的擺動(dòng)角度，其中所述激光器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度就是ZCOB。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)高方法，其特征在于:測(cè)量OB、OC的方法是: 設(shè)A點(diǎn)是觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)，保證擺動(dòng)支點(diǎn)A到激光發(fā)射點(diǎn)O的距離OA固定不變，同時(shí)保證0、A連線與激光發(fā)射光軸垂直，且始終處于同一平面內(nèi)； 在測(cè)量時(shí)當(dāng)激光對(duì)準(zhǔn)B點(diǎn)時(shí)，以及觀察鏡筒擺動(dòng)對(duì)準(zhǔn)B點(diǎn)時(shí)，O、A、B三點(diǎn)構(gòu)成直角三角形，觀察線與0、A連線的夾角ΖΒΑ0，通過距離0A，利用三角形正切定理就得到OB的值: OB=0A*tanZBAO； 在測(cè)量時(shí)當(dāng)激光對(duì)準(zhǔn)C點(diǎn)時(shí)，以及觀察鏡筒擺動(dòng)對(duì)準(zhǔn)C點(diǎn)時(shí)，O、A、C三點(diǎn)構(gòu)成直角三角形，觀察線與OA連線的夾角ZCA0，通過距離0A，利用正切定理就得到OC的值: 0C = 0A*tanZCA0。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)高方法，其特征在于，測(cè)量ZBAO和ZCAO的方法是: 利用霍爾傳感器或光電傳感器，當(dāng)所述觀察鏡筒相對(duì)于一靜止器件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器或光電傳感器隨著感應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的變化，發(fā)出感應(yīng)信號(hào)，對(duì)應(yīng)獲得觀察鏡筒轉(zhuǎn)過的角度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)高方法，其特征在于，測(cè)量ZCOB的方法是: 利用霍爾傳感器或光電傳感器，當(dāng)所述激光器相對(duì)于一靜止器件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器或光電傳感器隨著感應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的變化，發(fā)出感應(yīng)信號(hào)，對(duì)應(yīng)獲得激光器轉(zhuǎn)過的角度。5.—種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-4之一所述測(cè)高方法的測(cè)高儀，其特征在于:包括一激光器、一觀察鏡筒、兩組能夠測(cè)量激光器轉(zhuǎn)動(dòng)角度和觀察鏡筒擺動(dòng)角度的測(cè)量器件，以及支撐體； 所述激光器轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在支撐體上，且?guī)?dòng)所述觀察鏡筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，所述觀察鏡筒還可獨(dú)立擺動(dòng)； 所述觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)與激光器的發(fā)射光軸在同一平面內(nèi)，且觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)到激光發(fā)射點(diǎn)的連線與激光器的發(fā)射光軸始終垂直，且觀察鏡筒的擺動(dòng)支點(diǎn)到激光發(fā)射點(diǎn)的距離固定不變。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)高儀，其特征在于:所述激光器的前方設(shè)置一會(huì)聚透鏡。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)高儀，其特征在于:所述支撐體包括一底座、一轉(zhuǎn)動(dòng)桿和一U形夾持塊； 底座上端設(shè)一橫向穿孔，橫向穿孔內(nèi)裝滾動(dòng)軸承，所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿穿過橫向穿孔； 轉(zhuǎn)動(dòng)桿一端與U形夾持塊固定連接，另一端與所述激光器固定連接;所述觀察鏡筒通過頂針安裝在U形夾持塊中間； 定義所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的軸線延長線與觀察鏡筒的觀察線的交點(diǎn)，為所述觀察鏡筒的擺動(dòng)支占.V ， 定義所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的軸線與激光器的發(fā)射光軸的交點(diǎn)，為激光發(fā)射點(diǎn)； 所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的軸線、激光器的發(fā)射光軸、觀察鏡筒的觀察線，這三條線始終處在同一個(gè)平面內(nèi)，且激光器的發(fā)射光軸與轉(zhuǎn)動(dòng)桿的軸線始終保持垂直。8.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的測(cè)高儀，其特征在于:所述兩組能夠測(cè)量激光器轉(zhuǎn)動(dòng)角度和觀察鏡筒擺動(dòng)角度的測(cè)量器件，為兩組霍爾傳感器與磁鋼的組合。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測(cè)高儀，其特征在于:所述兩組能夠測(cè)量激光器轉(zhuǎn)動(dòng)角度和觀察鏡筒擺動(dòng)角度的測(cè)量器件，為兩組霍爾傳感器與磁鋼的組合； 其中一組霍爾傳感器與磁鋼的組合中，霍爾傳感器用膠黏在轉(zhuǎn)動(dòng)桿上，磁鋼用膠黏在底座上；另一組霍爾傳感器與磁鋼的組合中，霍爾傳感器用膠黏在觀察鏡筒上，磁鋼用膠黏在U形夾持塊上； 霍爾傳感器通過感受磁通變化，輸出變化的電壓，從而反演出霍爾傳感器相對(duì)磁鋼位置的變化。10.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7或9所述的測(cè)高儀，其特征在于:在所述觀察鏡筒中，在遠(yuǎn)目端設(shè)置一90°擋片，其頂點(diǎn)位于鏡筒中心線上；在近目端設(shè)置一360°擋片，在360°擋片中心開有一個(gè)微小圓孔，其圓心位于鏡筒中心線上;測(cè)量時(shí)，人眼通過微小圓孔觀察，遠(yuǎn)目端的擋片90°頂點(diǎn)與觀察目標(biāo)點(diǎn)重合。
【文檔編號(hào)】G01C3/20GK105910575SQ201610454954
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月22日
【發(fā)明人】楊華, 郭文會(huì), 劉瑜
【申請(qǐng)人】北京林業(yè)大學(xué)