[发明专利]一种水平光路传递测角仪及测量方法

权利要求书

1.一种基于水平光路传递测角仪的测量方法，其特征在于：所述水平光路传递测角仪包括位姿调节模块、工作台、测量控制器、直线导轨、光束转向模块、反射镜模块和测量模块，其中工作台用于承载直线导轨、光束转向模块、反射镜模块、测量模块和测量控制器，位姿调节模块放置于工作台一侧，测量模块通过螺钉固定于工作台上，光束转向模块通过螺钉固定于直线导轨上，测量模块、反射镜模块和光束转向模块处于同一水平直线上，反射镜模块放置于测量模块与光束转向模块之间；

所述的反射镜模块包括光学反射镜、U形俯仰转台、底座、反射镜转动台和反射镜固定架，其中光学反射镜通过反射镜固定架固定于U形俯仰转台的输出端上，U形俯仰转台通过螺钉固定于反射镜转动台的输出端上，反射镜转动台通过螺钉固定于底座上；

所述U形俯仰转台包括内框架、外框架和调节器，其中外框架作为固定端，内框架作为输出端，调节器与外框架固定连接，内框架与调节器输出端固定连接，调节器输出端与外框架转动连接，调节器用于使内框架旋转；

包括下列步骤：

步骤一、校准：将被测件放置于位姿调节模块的载物台上，将反射镜模块调整至“校准”模式，打开数字式自准直仪，由数字式自准直仪发出的光线在反射镜模块上的光学反射镜处反射，通过测量模块的剪式升降台调节数字式自准直仪的高度，通过反射镜模块的U形俯仰转台和反射镜转动台调节光学反射镜的角度，使数字式自准直仪发出的出射光线与反射光线重合，此时光线达到水平状态，完成校准；

步骤二、测量：将反射镜模块调整至“测量”模式，数字式自准直仪发出的光线穿过第二合页片上的孔洞，在光束转向模块的可变光阑处调节出光量并射入五棱镜的入射口，经过五棱镜的折射，从五棱镜的出射口射出，光线在被测件的被测面上反射，将被测面的俯仰角与偏摆角转化为反射光线的反射角，反射光线原路返回，经过五棱镜的折射后，光线被测量模块接收，形成与数字式自准直仪所射出的光线具有一定距离的光斑并通过测量控制器显示出来，从而将方位角变化为位移变化；

数字式自准直仪所射出的光线在经过五棱镜折射与被测件上被测面的反射过程中的光线向量变化通过以下方式推算：

(1)在被测面的俯仰角α与偏摆角β均为零且不考虑五棱镜和位姿调节模块制造误差的理想情况下，光线经过五棱镜折射与被测面反射后，数字式自准直仪所接受的光斑应该与数字式自准直仪的出射光线重合，当被测面具有一定的俯仰角α与偏摆角β时，入射光线与出射光线形成一定角度，且数字式自准直仪接受到的光斑出现偏移；

(2)在被测件处建立三维坐标系，原点O为光线在被测件的被测面上的反射点，假设光线向量在XZ面上的投影与X轴所成夹角为α，在XY面上的投影与X轴所成的夹角为β，忽略光线折反射过程中的距离因素，只考虑光线在折反射过程中的方向变化，设数字式自准直仪射出的光线向量写为：经过五棱镜的折射与被测面的反射后的光线向量写为：其中a′、b′、c′分别为光线向量在X、Y、Z方向上的坐标；

(3)光线第一次在五棱镜折射的向量变化可以表示为：

其中为第一次通过五棱镜后的出射光线的光线向量，为第一次通过五棱镜后的入射光的光线向量，Q₁为五棱镜的作用矩阵，表示为：

光线在被测面反射的向量变化可以表示为：

光线在第一次穿过五棱镜后在被测件的被测面上反射，其中为第一次通过五棱镜后的出射光线，为经过被测件反射后的出射光的光线向量，S_x与S_z为由定坐标转化为动坐标的转换矩阵，表示为：

Rⁿ为被测面的作用矩阵，表示为

(4)光线第二次在五棱镜折射的光线向量变化可以表示为：

光线在被测件反射后，第二次在五棱镜处折射，其中为第二次经过五棱镜折射后的出射光线，为经过被测件反射后的出射光的光线向量，Q₂为第二次经过五棱镜时五棱镜的作用矩阵，以表示为：

因此，数字式自准直仪出射光的光线向量与经过五棱镜的折射和被测面的反射后射入数字式自准直仪的入射光光线向量可以表示为：被测面的俯仰角α与偏摆角β可通过测量控制器直接读取，因此当入射光的光线向量确定，也将在测量控制器上观察到唯一的光斑；

同时，被测件上被测面的角度数据：俯仰角α与偏摆角β与经过五棱镜和被测面的反射后的光线向量存在以下关系：

tanα＝a′b′

tanβ＝c′b′

即

α＝arctan(a′b′)

β＝arctan(c′b′)

步骤三、重复测量：通过调整位姿调节模块改变光线在被测件上的反射点位置，对被测件的被测面上随机多个点位的俯仰角α与偏摆角β进行测量，通过测量控制器读取各个点位的俯仰角α与偏摆角β，取平均值，完成被测件表面的角度测量。