激光扫平仪的误差分析与智能检测

　　1 引 言

　　扫平仪是水准仪的扩展，被广泛应用于建筑工程、装修装潢和大型土地平整，大有取代传统水准仪的趋势。激光扫平仪利用旋转的五角棱镜(或直角棱镜)，将半导体激光器发出的垂直激光束变换为一个旋转的水平激光光束平面，从而提供一个水平基准平面。它与探测器配合，可以在一定的半径范围内控制任一测点的水平高度，能将测量与施工结合在一起，实现施工的自动化。目前，激光扫平仪的检测方法基本和水准仪 i 角检测方法类似，在一个较长的检测场上人工读数，采用二杆法、三杆法和四杆法^[1~7] 。此类方法检测占用场地大、调整繁琐、人工读数费工、费时。虽然生产中可由扫平仪四个方位的读数来计算扫平误差以简化操作，但效率仍然低下，且结果往往并不能真实反映扫平仪的误差。

　　我们研制并已投入使用的“LLT-1 型激光扫平误差光电自动检测仪”既可用于激光扫平仪倾斜误差、锥角误差和补偿误差的自动检测，还可方便地用于指导装配过程中倾斜误差的调整，极大地提高了生产效率^[8~10] 。本文分析了激光扫平仪的误差组成和该系统的检测方法。

　　2 激光扫平仪的误差组成

　　激光扫平仪的系统误差有 4 种来源：

　　1)五角棱镜的角度加工误差引起锥角误差γ(也叫伞形误差)。当五角棱镜的 45°、90°内角存在有加工误差 δ45°和 δ90°时(直角棱镜则是其反射面与水平面的夹角 α 不严格为 45°)，其出射光束的转向角不再为 90°，而是相对水平面上偏或下偏γ，形成一个锥面。锥角误差γ的表达式近似为

　　距扫平仪回转中心距离为L的测点与水平基准面的偏差ΔP 为

　　式中，n 为五角棱镜材料的折射率。

　　2)入射光束中心线和回转轴线间的夹角引起倾斜误差β。由于激光束和转轴的中心线没有达到绝对铅垂，两者成β角，使激光扫描面一侧变高，另一侧变低，形成与水平面成β角的倾斜平面。距扫平仪回转中心距离为L的测点与水平基准面的偏差ΔQ 为

　　式中， 为倾斜相位，θ 为从第I 出射窗法线开始的转位角。

　　3)入射光束中心线与回转轴线间的偏心引起光束高度变化差δh。若入射光束中心线与回转轴线间的偏心距为 e，则五角棱镜一次反射面上反射点的位置和高度均随五角棱镜的旋转而发生变化，相应地出射光束在第二折射面上的位置也要发生变化，其位置变化表达式为

　　式中，φ 为偏心相位。光束高度变化差δh 其值常比较小，一般不考虑。