激光投线仪校准方法的研究

激光投线仪校准方法的研究

程红岩,张震,耿太安,胡佳琪

烟台市标准计量检验检测中心 山东 烟台 264000

一、研究背景

激光投线仪，又被称作是激光标线仪或激光水准仪，其实是在普通水准仪望远镜筒上安装并固定了激光装置而制成的一类测量仪器，在使用的过程中，激光投线仪通过发射激光束，使激光束通过棱镜导光系统形成激光面以投射出水平和铅垂的激光线，最终实现测量的目的。

激光投线仪是一种新型的光机电一体化仪器，它大多采用635nm或532nm激光二极管，可以在墙面上投射出可见的红色或绿色水平直线和铅锤直线，利用仪器内部的自动补偿器或长水平器手动置平可保持激光投射线的水平（或铅锤）位置。主要用于工程测量、建筑施工、室内装修、门窗安装、管线铺设、隧道掘进、吊垂线以及质检和工程监理等建筑施工中，代替传统施工、测量中的水平管、铅垂球、墨线等工具。这类新型仪器在原理上有别于传统仪器，所以其检定校准方法又成了一个新的课题。本文就激光投线仪这类新型设备的检定校准方法进行了初步的研究。

图1 激光投线仪

二、研究措施

根据激光器的数量，激光投线仪可分为单线、2线、3线、4线、5线等系列激光投线仪。几条垂直线间互成90°角，垂直线在天顶相交，产生一天顶点。仪器还提供一个下对点，天顶点和对下对点应在同一铅垂线上。激光投线仪在室内测量距离可达10m，室外测量距离可达（25~50）m。它广泛应用于。

激光投线仪按其制动方式可分为磁性制动和电子传感器制动。以磁性制动原理制造的激光投线仪为重力摆结构，其度相对较低，价格也，所以目前市场销量较大，目前大部分测绘仪器厂家生产的就是这种激光投线仪。以电子传感器制动原理制造的激光投线仪是一种电安平式的全自动激光投线仪，其安平速度快、精度高，但价格相对较贵、技术含量高。

为此，从产业计量检测角度出发，结合本单位既有计量条件，构建一套可靠、精确的计量校准标准装置，具有产业意义和一定理论意义。

技术指标：

一、激光投线仪的误差来源：

　　由于仪器加工和装配的影响，激光投线仪的出射平面会偏离基准水平面，影响仪器的准确度与施工质量。激光投线仪因安置(自动安平)和装配而产生的误差主要有水平线的水平度、倾斜度和弯曲度，垂直线的倾斜度和弯曲度。由于仪器水平激光线与垂直激光线之间的垂直度由加工和装调保证，因此，如果控制了水平激光线的水平度、倾斜度和弯曲度，则垂直激光线准确度是可以保证的。所以，以下仅分析和讨论水平激光线的水平度、倾斜度和弯曲度。

二、激光投线仪的误差范围：

激光投线仪在市场上开始出现，得到了大规模发展应用，高精度的投线仪主要来自进口，国内测绘仪器生厂厂家也很多，综合大部分仪器其主要技术指标的表示形式，根据激光投线仪的工作原理特点，对投线仪需要做出一下项目的检测分析：1、水平激光线误差2、水平激光近、远端倾斜误差3、水平激光线补偿误差4、垂直激光线误差5、垂直激光线正交误差6、下点对点误差。以激光投线仪常用的水平激光线误差和垂直激光线误差为例进行测试：

对成体系的用于激光投线仪的校准检定能力，包括投屏系统、对准系统、多功能工作台、按照标准要求的光学长度类校准设备。所用到的设备及设施：工作台，经纬仪（或全站仪），水准仪，直角坐标板，钢卷尺，工业相机系统，场地空间布局（7.5m×7.5m×7.5m）。

图1：水平激光线误差示意图                  图2：垂直激光线误差示意图

根据激光投线仪再实际使用中的情况，可分为：水平投线和垂直投线。利用激光头及波长的不同类型，给出投线准确度和投线强度，测试其对校准数据的影响。

1、水平激光线误差：以工作台轴心为圆心，在距离工作台轴心 L1=（0.2～1）m 处安放一个直角坐标板 2，此点称为近点。在与近点大致同一半径方向上 L2=（2.5～7）m 处安放第二个直角坐标板 4，此点称为远点。然后在远点左右对称夹角ω 为45°的两旁各安放一个直角坐标板 3 和 5，用钢卷尺量取 L1、L2、L3和 L4的值。要求所有直角坐标板的坐标原点等高、并确保所有直角坐标板的坐标横轴处于同一水平面内。

将被检仪器放置在工作台上，调平工作台并整平仪器，使被检仪器的水平激光线的中间部分照准近点直角坐标板 2 的坐标原点。待激光稳定后，读取激光线在每个坐标板上直角坐标纵轴的读数∆i（i=2、3、4、5）。重新安置仪器，按上述方法重复测量三次，分别计算 2、3、4、5 坐标板上的读数平均值、、、。最后按照公式（1）计算水平激光线误差。

                     （公式1）

——激光线在坐标板 3、5 上直角坐标纵轴的读数平均值，单位：mm

——坐标板 3 与坐标板 5 两直角坐标原点间的距离，单位：m

2、垂直激光线误差：以投线仪旋转轴与垂直激光组中心的交点为圆心，在与水平面向上倾角θ（倾角θ 为投线仪垂直激光线发射筒轴线与水平面的夹角，约为 （15°～35°）方向且距离

L=（2.5～7）m 处安放一个直角坐标板 7，然后在相对直角坐标板7对称夹角ω 不小于30°的上下两个位置，各安放一个直角坐标板6和 8，用钢卷尺量取 L＇的值。要求所有直角坐标板的坐标原点处于同一铅垂线上。

将被检仪器放置在工作台上，调平工作台并整平仪器，调整仪器使被检仪器的垂直激光线与直角坐标板 4 的坐标原点相交。待激光稳定后，读取激光线在上下两个坐标板直角坐标横轴上的读数 ∆i（i=6、8）。重新安置仪器，按上述方法重复测量三次，分别计算坐

标板 6 和 8 上的读数平均值和，最后按照公式（2）计算垂直激光线误差。

                （公式2）

——激光线在坐标板 6、8 直角坐标横轴上的读数平均值

，单位：mm

——坐标板 6 直角坐标原点与坐标板 8 直角坐标原点间的距离

，单位：m。

三、激光投线仪的改进

目前激光投线仪只是提供一条或多条水平激光线或垂直激光线的激光器，并无测距功能，可增加距离测量和定位功能，用于三维轮廓测量，三维空间定位等领域。

参考文献：

[1] 激光投线仪进行校准的方法研究及不确定度分析 [J]. 刘海波，贾敏强，杨博雄，宋小平，路杰，郑勇. 计量技术2007(10)

[2] 激光投线仪及其校准 [J]. 赵岩，李建双.计量学报. 2006(27)

[3] 激光标线仪原理探讨 [J]. 周昌鹤，曹正东.物理与工程. 2007(5)