一种磁悬浮陀螺全站仪 【技术领域】
本发明涉及一种可广泛应用于城市地铁工程、穿山隧道、江河海底隧道等许多大型地下贯通工程的磁悬浮陀螺全站仪。
背景技术
在城市地铁工程、矿山开采以及江河隧道等许多地下工程建设中，确保隧道安全准确的贯通是一项十分重要的测量工作。然而由于地下工程特殊环境的种种限制，一些地面高精度的测量技术手段往往不能够在地下工程中实施。随着地下采掘工作面的不断延伸，隧洞的方向误差就会不断的累积，最终导致贯通不能顺利进行，甚至引发重大的工程事故。因此，在地下工程测量中，通常使用陀螺定向的方法对隧洞掘进方向的误差进行校正，以保证贯通工作的顺利进行。
传统的陀螺定向是利用悬挂带式陀螺经纬仪来进行的，即当隧道的采掘工作面达到一定的深度时，对控制采掘方向的地下导线边进行一次陀螺定向测量，以校正因误差累积而造成的采掘方向偏差。其工作原理是通过高速旋转的陀螺敏感地球角动量，进而测定地球上任意点处的真北方向，据此可以测量地下导线边的方位角。由于地球的旋转角动量是一定的，因此利用陀螺经纬仪测得的任意导线边的方位角也是等精度的，不存在误差累积。而这种陀螺经纬仪采用悬挂带将陀螺灵敏部壳体悬挂起来，并通过逆转点法和中天法等方法进行寻北观测，测定真北方向，再利用经纬仪照准目标测定测线的方位角。在实际应用中，这种陀螺经纬仪存在故障率高、悬挂带易损坏、操作难度大和定向时间长等缺点。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种定向精度高、定向速度快、操作简便、自动化程度高的磁悬浮陀螺全站仪，本发明在实际应用中可大幅缩短定向时间、提高工作效率，降低停工成本。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种磁悬浮陀螺全站仪，包括定向照准系统、计算机处理系统、测角系统、陀螺回转系统、光路自准直系统以及磁悬浮系统，其中，陀螺回转系统、光路自准直系统及磁悬浮系统均设于金属壳体内，金属壳体底部中心位置设有下对中标识孔，金属壳体上设有北向指示标；
定向照准系统设于金属壳体上，其包括照准部支架，照准部支架上设有望远镜，望远镜通过一水平的旋转轴安装于照准部支架上，所述望远镜(5)的内部中心点为VV轴、HH轴及LL轴三轴的交点，且望远镜可在竖直面内旋转，照准部支架外侧与旋转轴交会处标有仪器高量取标识，照准部支架上设有竖直制动微动螺旋、水平制动微动螺旋及水准管，照准部支架通过一水平旋转部安装于金属壳体上；
计算机处理系统包括微型计算机、显示装置、输入装置、开关以及数据传输口；
测角系统包括安装在照准部支架上的第一测角装置和安装在水平旋转部下方的第二测角装置，第二测角装置与金属壳体固连；
光路自准直系统为反射棱镜组；
螺旋回转系统包括安装于第二测角装置下方的回转马达及通过齿轮组与回转马达连接的回转轴承，回转马达和回转轴承均设于金属壳体内；
回转轴承内设有一回转壳体，磁悬浮系统包括安装于回转壳体内顶壁中心位置的第一电感线圈，以第一电感线圈为中心均匀分布设置多个第二电感线圈；第二电感线圈的自由端均设有一弹簧，弹簧自由端设置一压片；第一电感线圈下方设有一可沿VV轴上下浮动的连动杆，连动杆包括主杆体和垂直于主杆体的平面，主杆体顶部设置一磁浮球，平面上设有多个与第二电感线圈位置相对应的触头；连动杆底部固连一陀螺马达房，陀螺马达房内设陀螺马达，陀螺马达房下部固连力矩器转子，力矩器转子底部设置一下落椎；
回转壳体的内底面中心位置处设有一与下落椎位置相对应的落体槽，回转壳体内安装有与力矩器转子之间可形成水平电磁场的力矩器定子；陀螺马达房、力矩器转子以及下落锥均居中于VV轴上；
反射棱镜组设于回转壳体内侧壁上，在连动杆平面的下方位置安装有与反射棱镜组位置相对应的光电传感器，光电传感器的发射/接收面与反射棱镜组的反射面的有效面积大小相等；
当连动杆处于悬浮状态时，弹簧处于压缩状态；当连动杆由悬浮状态回落时，下落锥落入落体槽中，压片与触头相接触，系统处于锁定状态。
由以上可见，本发明采用磁悬浮技术，取代了传统的悬挂带支承技术，解决了传统悬挂带式陀螺吊丝易损坏、定向时间长，操作繁琐等问题。具有自动化程度高、定向快速、整体性能稳定的特点。
【附图说明】
图1为本发明第一实施例的结构示意图；
图2为本发明第一实施例处于待机状态时的示意图；
图3为本发明的计算机系统的模块示意图；
图4为本发明第二实施例的结构示意图；
图5为本发明第二实施例处于待机状态时的示意图。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。
【具体实施方式】
本发明的磁悬浮陀螺全站仪，主要包括定向照准系统、计算机处理系统、测角系统、陀螺回转系统、光路自准直系统以及磁悬浮系统。如图1及图2所示，VV轴为本发明地磁悬浮陀螺全站仪的中心轴线，也是金属壳体19的中心轴线，HH轴为望远镜5旋转轴的轴线，LL轴为望远镜5的视准轴，该三轴相互垂直，且相交于望远镜5的内部中心点。H’H’轴为水准管的轴线，其与HH轴保持平行，且垂直于VV轴。利用磁悬浮陀螺全站仪外部的脚螺旋对全站仪进行整平时，若水准管10中的气泡居中，则表示磁悬浮陀螺全站仪在H’H’的轴向方向上处于水平状态。
定向照准系统
定向照准系统包括上对中支架1，上对中支架1中心位置设有上对中标识2，上对中支架1安装在照准部支架3顶部，与照准部支架3形成门形，上对中支架1与照准部支架3之间可通过螺钉固定连接，以保证上对中标识2位于磁悬浮陀螺全站仪的中心轴线VV轴上。照准部支架3的外侧与HH轴交会处标有用于测量照准望远镜中心距离点位垂直高度的仪器高量取标识4。望远镜5通过旋转轴7安装于照准部支架3上且可在竖直面内绕HH轴自由旋转。照准部支架3上设有竖直制动微动螺旋8和水平制动微动螺旋12，通过竖直制动微动螺旋8可精确调整望远镜5在竖直面内所指向的方向，并根据测角系统测定望远镜5所指向的方向(LL轴方向)的竖直角角度值；通过水平制动微动螺旋12精确调整望远镜5在水平面内所指向的方向，再根据测角系统即可测定望远镜所指向的方向(LL轴方向)的水平角角度值。本实施例中，水准管10设在照准部支架3底部。
望远镜5由测距系统、棱镜组及镜头照明灯6组成，可以对目标实施精确照准，并测量望远镜中心(三轴交点)到目标点的距离。优选设置的镜头照明灯6可用于地下测量，便于观测者看清望远镜5中的十字丝，精确瞄准目标。
计算机处理系统
计算机处理系统包括微型计算机14、显示装置15、输入装置16、开关17以及数据传输口18，其中，显示装置15可为液晶显示屏，输入装置16可为键盘。
微型计算机14设置于照准部支架3的下部，微型计算机14与照准部支架3一起安装在水平旋转部11上，通过水平旋转部11，微型计算机14及其以上的结构可整体在水平面内绕VV轴自由旋转。
测角系统
测角系统包括第一测角装置9和第二测角装置13，其中，第一测角装置9安装在照准部支架3上，其内设有竖直度盘；第二测角装置13与金属壳体19固连，安装在水平旋转部11的下方，其内设有水平度盘。第二测角装置13与第一测角装置9二者均可利用电子度盘测量出望远镜视准轴LL轴方向的精确方位。不同之处在于：第二测角装置13下部加装了RDC测角电路，可测量出陀螺寻北方向与第二测角装置13中的水平度盘零刻划之间的角度。
陀螺回转系统
螺旋回转系统包括回转马达20以及回转轴承21。回转马达20安装于第二测角装置13的下方，回转马达20和回转轴承21均设于金属壳体19内。回转马达20与回转轴承21通过齿轮组连接，可使回转壳体与回转壳体内的光路自准直系统与磁悬浮系统整体绕VV轴进行任意方位回转；并可结合第二测角装置13中的RDC电路，测量回转角度位置。
光路自准直系统
光路自准直系统安装于回转马达20下方，其为一反射棱镜组22，包括一组透镜和反射镜，反射棱镜组22沿VV轴方向的截面形状也呈门形，其用来配合磁悬浮系统中的光电传感器检测悬浮的状态，并实现闭路。
磁悬浮系统
磁悬浮系统包括安装于反射棱镜组22内的灵敏部壳体23，灵敏部壳体23沿VV轴方向的截面形状呈门形，其内壁沿VV轴方向设有第一电感线圈24，第一电感线圈24下方设有一磁浮球26，磁浮球26下方固连一连动杆27。灵敏部壳体23内壁上以VV轴为中心，在八个方向上均匀分布设置了8个第二电感线圈25，每个第二电感线圈25的自由端均设有一弹簧28，弹簧28下方设置压片29。连动杆27包括主杆体270和垂直于主杆体270的平面271，平面271上设有与8个与第二电感线圈25位置相对应的触头30。反射棱镜组22下方设置力矩器壳体38，力矩器壳体38沿VV轴方向的截面形状为倒门形，其底部的内壁中心位置设有一落体槽37。力矩器壳体38的顶部与反射棱镜组22的底部对接，一起组成回转壳体。连动杆27下端与陀螺马达房32固定连接，陀螺马达房32内设有陀螺马达33。陀螺马达房32下部固连力矩器转子34，力矩器转子34底部设置一下落椎36。力矩器壳体38底部安装有力矩器定子35，力矩器定子35与力矩器转子34之间可形成水平电磁场，相互感应。陀螺马达房32、力矩器转子34以及下落锥36均严格居中于中心线VV轴上。力矩器转子34、力矩器定子35、陀螺马达房32均位于力矩器壳体38内。
连动杆27下部两端安装有光电传感器31，光电传感器31水平长度与陀螺马达房32水平长度一致。当连动杆27处于悬浮状态时，光电传感器31的发射/接受面正好与光路自准直系统的反射表面相对正平齐(如图1)。灵敏部壳体23底部设有沿自身径向向内突出的锁定部(未标号)，该锁定部与连动杆27的平面271相接触限位锁定，优选的，该接触面为斜面。当第一电感线圈24断电，连动杆27由悬浮状态回落，下落锥36准确落在落体槽37内，以保证连动杆27每次浮起和下落位置的唯一性及连动杆27的中心线均位于VV轴上，然后第二电感线圈25断电，弹簧28立刻变为伸长状态，将压片29下压，通过连动杆27上的触头30将悬浮部分锁定。
当压片29与连动杆27上的触头30相接触，即磁悬浮陀螺全站仪处于待机状态时(如图2)，通过八个弹簧28的弹力以及灵敏部壳体23底部的小斜面将连动杆27处于锁定状态。当连动杆27需要浮起时，第二电感线圈25通电，将压片29吸起，弹簧28处于压缩状态，连动杆27即解锁。
在金属壳体19下方中心位置设有下对中标识孔39，可连接激光对点器或悬挂铅垂。设于金属壳体19顶部的北向指示标40正好是第二测角装置13的零位方向。
下面对计算机处理系统作进一步的说明：
微型计算机14可将第一测角装置9和第二测角装置13测得的望远镜照准方向(LL轴)的水平角度、竖直角度的角度值实时显示出来，也可读取望远镜5中的测距器测量的距离值；同时将力矩器定子35、力矩器转子34在测量过程中采集的电流值实时存储。微型计算机14主要接收第一测角装置9、第二测角装置13、望远镜5及矩器定子35、力矩器转子34在测量过程中采集的信号值。
参照图3，本发明的磁悬浮陀螺全站仪的微型计算机14中具有两套彼此独立的测量程序模块，一套是陀螺定向模块，另一套是常规测量模块。用户可以通过数据传输口18将实测数据的文本下载。
计算机处理系统的陀螺定向程序包括以下几个子模块：
马达启动加速模块：使陀螺马达33瞬时启动，达到额定转速。
解锁模块：使第二电感线圈25通电，由于磁性作用，将压片29吸起，迫使弹簧28处于压缩状态；力矩器转子34、力矩器定子35通电，形成水平电磁场。
浮起模块：使第一电感线圈24通电，由于磁性及重力作用，磁浮球26带动连动杆27，拉动陀螺马达房32、光电传感器31以及力矩器转子34和下落锥36一同浮起，且处于悬浮状态。
闭路模块：使光电传感器31向光路自准直系统的反射棱镜组22发射红外光束，并接受反射棱镜组(22)的反射光，并根据入射光与反射光光路判定悬浮部分是否处于合理的稳定状态。
力矩器数据采集模块：根据力矩器转子34与力矩器定子35之间形成的电磁场，实时测量力矩器转子35与力矩器定子34之间的力矩值，并将其记录并存储在微型计算机14中。
下落锁定模块：使第一电感线圈24断电，磁性消失，悬浮部分在重力作用下回落，下落锥36准确落到落体槽37中；第二电感线圈25断电，磁性消失，压片29在弹簧28弹力的作用下迅速下落，配合灵敏部壳体23将悬浮部分锁定。
回转模块：使回转马达20根据第二测角装置13的指令，使光路自准直系统和磁浮系统整体向预定位置回转，回转到位后，第二测角装置13测量回转位置，判断回转是否到位。
下面对本发明的工作过程及原理说明：
一、安置仪器
将磁悬浮陀螺全站仪架设在指定的测站点处，根据上对中标识2或下对中标识39以及水准管10，利用外部整平对中设备，使磁悬浮陀螺全站仪处于水平状态，北向指示标40大致指北(±10°以内)，且VV轴通过测站点；
二、陀螺定向测量
启动微型计算机，运行陀螺定向程序；
首先进行寻北测量：
本发明的磁悬浮陀螺全站仪的寻北过程分为三个位置寻北：
a.第一个位置为粗寻北：首先执行微型计算机14的马达启动加速模块，然后执行回转模块，使陀螺马达轴33向第二测角装置13的零位方向(北向标识方向)回转；然后按顺序执行解锁模块、浮起模块、闭路模块、力矩器数据采集模块和下落锁定模块；
至此，一位置粗寻北测量结束，根据一位置采集的数据，微型计算机14可计算出第二测角装置13的零位方向(北向标识方向)偏离真北方向的夹角，根据这个夹角值，第二测角装置13控制陀螺回转系统执行回转模块，使陀螺马达33轴向方向严格向北向回转，然后开始进行第二个位置的寻北测量。
b.第二个位置的寻北测量为精寻北：当系统回转到第二位置后，按顺序执行解锁模块、浮起模块、闭路模块、力矩器数据采集模块和下落锁定模块。
至此，第二位置寻北测量结束，第二测角装置13控制回转系统执行回转模块，使陀螺马达33轴向方向回转180°，然后开始进行第三个位置的寻北测量。
c.第三个位置的寻北测量仍为精寻北：当系统回转到第三位置后，按顺序执行解锁模块、浮起模块、闭路模块、力矩器数据采集模块和下落锁定模块。
至此，整个寻北测量过程全部结束，微型计算机14根据第二、第三两个精寻位置采集的数据，计算出第二测角装置13中的零位与陀螺测得的真北方向的夹角，并将计算的结果存储/显示在微型计算机14中。
寻北测量结束后，开始进行照准测量：
用望远镜5照准目标，此时保证第一测角装置9位于观测方向的左边，第二测角装置13将照准测线方向(LL方向)与0位之间的夹角存储并显示在微型计算机14中；
再将望远镜5在竖直方向与水平方向分别旋转180度，再次照准测线方向，第二测角装置13即将照准测线方向(LL方向)与0位之间的夹角存储并显示在微型计算机14中；至此定向照准系统完成一次目标照准过程；依据同样的方法，定向照准系统在一次寻北定向测量完成后应进行两次照准测量。
三、测量结束，依据陀螺寻北测量和照准测量的结果即可计算得到测线的真北方位角。
此外，本发明中的定向照准系统、测角系统和微型计算机处理系统还可以共同配合完成水平角测量、竖直角测量、距离测量以及坐标放样等常规测量工作。
参照图4和图5，为本发明的另一实施例。与前一实施例不同的地方在于：照准部支架3上不设置上对中支架1，当不设置上对中支架1时，可利用第一测角装置9中的竖直度盘以及望远镜5上的对中标识来调整，使望远镜5的LL轴处于水平位置。本实施例中的回转轴承21内设有一单独的回转壳体41，回转壳体41内顶壁的中心位置设置第一电感线圈24，以第一电感线圈24为中心均匀分布设置8个第二电感线圈25；第二电感线圈25的自由端也设有弹簧28，弹簧28自由端设置压片29；主杆体270顶部设置磁浮球26，平面271上设有8个与第二电感线圈25位置相对应的触头30；连动杆27底部固连陀螺马达房32；回转壳体41内底壁的中心位置处同样设有一与下落椎36位置相对应的落体槽37，回转壳体41内安装有与力矩器转子34之间可形成水平电磁场的力矩器定子35；陀螺马达房32、力矩器转子34以及下落锥36均居中于VV轴上。回转壳体41内侧壁上设有径向向内突出的锁定部，锁定部与平面271的下表面相接触锁定。同样的，锁定部与平面271之间的接触面也可为斜面。
回转壳体41侧壁上安装有反射棱镜组22，在连动杆27的位于平面271的下方位置设有与反射棱镜组22位置相对应的光电传感器31，光电传感器31的发射面与反射棱镜组22的反射面的有效面积大小相等。
当连动杆27处于悬浮状态时，弹簧28处于压缩状态；当连动杆27由悬浮状态回落时，下落锥36落入落体槽37中处于锁定状态，压片29与触头30相接触。本实施例其它部件的工作方式与第一实施例的相同。
本发明的磁悬浮陀螺全站仪更优选的方案是，磁浮头26为扁圆球型，可增大悬浮部分受力面积，有利于保证灵敏部的悬浮稳定。
本发明的磁悬浮陀螺全站仪更优选的方案是，触头30的接触表面为平面，可使弹簧28压力全部均衡的作用于连动杆27，保证弹簧垂直施力。
本发明的磁悬浮陀螺全站仪更优选的方案是，连动杆27上反射棱镜组或光电传感器的竖直高度与陀螺房竖直高度保持一致，这样便于更加精确的反应连动杆27的悬浮状态。
本发明与现有技术相比，通过力矩器定转子之间的磁场反应寻北力矩，消除了由于因引出线、悬挂带或其它因素所形成的干扰力矩影响；且通过下落锥和回落槽保证灵敏部浮起和下落位置的唯一。
诚然，本发明的技术构思并不仅限于上述实施例，还可以依据本发明的构思得到许多不同的具体方案，例如，本发明磁悬浮陀螺全站仪的计算机处理系统可以一体设于照准部支架上，也可以与全站仪相分离，如采用如PDA等手持设备进行信号处理、测量计算等步骤；北向标识也可以刻在金属壳体相应位置，诸如此等改变以及等效变换均应包含在权利要求所述的范围之内。