一种空间坐标与温度信息同步采集的测量装置

1.本发明属于物体几何量测量领域，涉及一种空间坐标与温度信息同步采集的测量装置。


背景技术：

2.激光跟踪仪是一种大尺寸精密测量仪器，可对空间运动目标测量点进行跟踪并实时测量其空间三维坐标，具有非接触、测量精度高、操作简便等优点，广泛应用于大型构件装配过程。大型构件装配环境多为开敞性的厂房，现场环境温度非稳态、非均匀，极易引起工装及构件产生非规则热变形，导致布置在工装上的测量点发生偏移，影响测量数据的可靠性，使得装配质量无法保证。因此激光跟踪仪在现场测量过程中，必须对现场测量点温度信息进行监测。
3.目前，激光跟踪仪仅仅只能获取仪器所在位置的温度，无法获取待测点的温度，就待测点温度的测量方式及数据表征也存在着很多不足。例如，专利号是cn202110506164.1的专利《一种基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系标定方法》中，公开了一种基于温度补偿的数字化工装飞机坐标系标定方法，将ers点群相对于飞机坐标系在参考温度下的坐标标定到数字化工装中。该方法中只获取测点在飞机坐标系的空间坐标和其所在的环境温度，但在同一环境下分布不同的测点的温度不同，直接使用单一温度作为其他测点的实际温度进行温度补偿，温度数据不完整导致补偿能力减弱。长春理工大学的李竺悦等人在《中国激光》的“变曲率构件转站测量热变形误差的补偿方法”，2021年第48卷第115一文中，通过光纤布拉格光栅及激光跟踪仪获得温度和基准点的三维位置信息，提出了一种基于全局坐标系热变形系数的新型大尺寸转站测量热变形误差补偿方法，然而，此测温方式为有线测温，只适用于少数点测温，实际工况下空间范围大，温度分布非均匀，此有线测温的测温方式，无法表征全场状态。此方法范围有限、布置线路复杂且测温布点位置难以准确确定，使得测点的空间坐标与温度不匹配。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术的不足，发明一种空间坐标与温度信息同步采集的测量装置。该装置采用模块化设计，装置整体外形组装成圆柱形结构，方便携带和运输。使用激光跟踪仪同步获取待测点的温度与空间坐标数据，采用无线通讯与传感器配合两种测温方式测量。该装置由空间坐标测量部分和温度测量部分构成。在大型构件装配现场环境中适用范围广、可靠性强，服务于长周期大温差现场环境下，大型构件的精密测量，具有广泛的应用前景。
5.本发明的采用的技术方案是一种空间坐标与温度信息同步采集的测量装置，其特征在于，该装置采用模块化设计，装置整体外形组装成圆柱形结构，采用无线通讯与传感器配合两种测温方式测量；该装置由空间坐标测量部分和温度测量部分构成；
6.所述空间坐标测量部分由激光跟踪仪15、靶球1和带螺栓靶座2组成；靶球1吸附于
靶座2上，带螺栓靶座2通过螺栓与上端盖3的螺纹孔3.1螺纹连接固定；
7.所述温度测量部分由上端盖3、锂电池4、电源及参数开关5、pcb电路板组件、天线接口7、可旋转胶棒天线8、航空插头接口9、表面贴片传感器10、帽壳类接触式传感器11、下端盖12、底板13、粘贴14组成；上端盖3为圆柱形，上表面中心加工有上端盖螺纹中心孔3.1，内腔加工有长方形锂电池安装槽3.2，电源及参数开关安装槽3.3，上端盖侧面方形通孔3.4，上端盖3内腔底部加工有内螺纹3.5；
8.由锂电池4、引线4.1、sm插头4.2组成温度测量部分电源模块，锂电池4固定于上端盖的长方形锂电池安装槽3.2内，引线从锂电池正负极引出，通过sm插头4.2与pcb板电源接口6.1连接；
9.由电源及参数开关5、引线5.1、电源sm插头5.2、单片机6.5组成控制模块，电源及参数开关5安装在上端盖电源及参数开关安装槽3.3内，引线从开关处引出，通过电源sm插头5.2与pcb板控制信号接口6.2连接，由pcb板上的印刷线路与单片机6.5相接，开关部分由上端盖3侧面方形通孔3.4露出，方便操作；
10.由pcb板6、单片机6.5、无线通讯模块6.3组成信号转换模块，单片机6.5和无线通讯模块6.3均布置在pcb板下表面上，通过印刷电路连接其他接口；由于环境温度变化导致ntc热敏电阻的阻值发生变化，电流产生微弱变化，其电流变化信息被单片机6.5捕捉，转化为电信号输入到无线通讯模块6.3；
11.由无线通讯模块6.3、天线接口7、可旋转胶棒天线8组成信号输出模块，天线接口7固定在下端盖12左侧边通孔12.1中，由引线接于pcb板输出信号接口6.6上，可旋转胶棒天线8在外侧与天线接口7相连，温度传感器所测数据传输到无线通讯模块6.3，无线通讯模块通过可旋转胶棒天线使用433mhz fsk射频通讯技术将温度信号传出；
12.表面贴片传感器10、帽壳类接触传感器11、航空插头接口9组成温度测量部分信号输入模块，帽壳类接触传感器11安装在下端盖的中心沉头螺栓孔12.6和底板中心孔13.2中，由引线接入pcb板输入信号接口6.4，其引线由右侧通孔12.4探出接触待测温点，并与单片机6.5相接；
13.下端盖12为圆柱形，其上部外轮廓表面加工有外螺纹12.7，下端盖12底部内有四个均布的短圆柱凸台12.2，每个短圆柱凸台12.2中心有螺纹孔，底板13有四个沉头通孔13.1通过4个螺钉将底板13分别与4个短圆柱凸台上螺纹孔连接固定；两个连接螺钉6.7分别通过pcb板6上的前后连接孔6.8、6.9将pcb板6固定在下端盖12内的两个带螺钉孔的前、后长圆柱凸台12.3、12.5上；下端盖12上部通过外螺纹12.7与上端盖3下部内螺纹3.5连接固定；
14.底板13有两种：磁性底板和粘贴底板，若测点位置为铁磁性材料表面，使用磁性底板；若测点位置为非铁磁性材料表面，使用粘性底板，两者可以互换；粘贴底板13具有底板中心通孔13.2和圆环凹槽13.3，将粘贴14贴在圆环凹槽13.3中，方便更换和开发。
15.本发明与现有技术相比，其有益效果具体如下：
16.1、装置与激光跟踪仪配合使用，可以同时获取待测点的空间坐标及该点区域的温度数据。
17.2、本发明具备两种温度测量方法，第一种是将发明装置固定于待测点，通过底部的传感器与待测点接触获取温度信息，这种情况是待测点位置适于放置本发明装置；第二
种是将贴片传感器贴于待测点获取温度信息，这种情况是针对待测位置复杂，装置不适于放置的情况。两种测温方式保证了装置可以在各种工作环境中的应用。
18.3、采用433mhz低功耗无线技术，传输能力强，传输范围广，且耗能低，保证了从装置中传出的信号能最大限度被接收节点接收，电池使用时间更久，装置工作寿命更长。
19.4、采用可更换底板，对铁磁性材料，使用磁吸式底板；对非铁磁性材料，使用胶粘式底板；由于底板的可更换性，可以根据不同的应用工况开发不同类型的底板，扩大了装置的适用范围，提高了应用的便利性。
20.5、装置各部分结构之间采用螺纹连接的方式，拆卸方便，易于更换电池、配件，易于检测、维修。
附图说明
21.图1为本发明装置整体连接工作示意图，其中，1-激光跟踪仪配套靶球，2-带螺栓靶座，3-上端盖，5-电源及参数开关，7-天线接口，8-可旋转胶棒天线，9-贴片传感器接口，10-表面贴片传感器，12-下端盖，13-粘贴底板，15-激光跟踪仪。
22.图2为图1中a-a方向剖视图，图3为图2中b-b局部剖视图。
23.其中：1-激光跟踪仪配套靶球，2-带螺栓靶座，3-上端盖，3.1-上端盖中心螺纹孔，3.2-长方形锂电池安装槽，3.5-内螺纹口，4-锂电池，4.2-sm插头，5-电源及参数开关，6-pcb电路板组件，6.1-电源接口，6.3-无线通讯模块，6.5-单片机，6.7-连接螺钉，7-天线接口，8-可旋转胶棒天线，9-贴片传感器接口，10-表面贴片传感器，11-接触式传感器，12-下端盖，12.2-短圆柱凸台，12.3-前长圆柱凸台，12.5-后长圆柱凸台，12.7-外螺纹口，13-粘贴底板，14-粘贴。
24.图4锂电池4、电源及参数开关5、pcb电路板6连接安装示意图。其中，4-锂电池，引线4.1，4.2-sm插头，5-电源及参数开关，5.1-引线，5.2-电源sm开关插头，6-pcb电路板，6.1-电源接口，6.2-控制信号接口，6.4-pcb板输入信号接口，6.7-连接螺钉。
25.图5为本发明装置pcb板组件下表面安装图，其中：6-pcb电路板，6.1-电源接口，6.3-无线通讯模块，6.5-单片机，6.6-pcb板输出信号接口，6.8-前连接孔，6.9-后连接孔。
26.图6为装置中上端盖结构图，其中3-上端盖，3.1-上端盖中心螺纹孔，3.3-电源及参数开关安装槽，3.4-上端盖侧面方形通孔，3.5-内螺纹口。
27.图7本发明装置下端盖结构图。其中，12-下端盖，12.1-下端盖左侧边通孔,，12.2-短圆柱凸台，12.3-前长圆柱凸台，12.4-下端盖右侧边通孔，12.5-后长圆柱凸台，12.6-中心沉头螺栓孔，12.7-外螺纹口。
28.图8为本发明装置粘贴底板结构图。其中，13-粘贴底板，13.1-底板沉头通孔，13.2-圆环凹槽，13.3-底板中心孔。
具体实施方式
29.下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。
30.本发明一种空间坐标测量与温度信息同步采集的测量装置，见图1、图2、图3。测量装置采用模块化设计，装置整体外形组装成圆柱形结构，易于携带和运输。该装置由空间坐标测量部分和温度测量部分组成。
31.所述空间坐标测量部分由激光跟踪仪15、靶球1和带螺栓靶座2构成；靶球1吸附于带螺栓靶座2上，带螺栓靶座2通过底部螺栓与上端盖螺纹孔3.1螺纹连接固定；靶球1内部为接受并返回激光束的耦合棱镜，牢牢吸附于靶座中心上，其球形结构可绕z轴360度旋转，绕x轴和y轴180度旋转。激光跟踪仪15发射出的测量光束到靶球1内的棱镜上，经过靶球反射回到激光跟踪仪15中，返回的光束被激光跟踪仪15内部检测系统所接收，进而测算出目标点的空间坐标，再通过无线数据传输在上位机软件中显示待测目标点的空间坐标位置。
32.所述温度测量部分由带螺纹口的上端盖3、锂电池4、电源及参数开关5、pcb电路板6组件、天线接口7、可旋转胶棒天线8、航空插头接口9、表面贴片传感器10、帽壳类接触式传感器11、下端盖12、底板13、粘贴14组成。结合附图1、2、3、4、5，对本发明作进一步说明。图6、7、8分别为上端盖3、下端盖12、粘式底板13零件图。
33.温度测量部分中，上端盖3为圆柱形，上表面中心加工有上端盖螺纹中心孔3.1，内腔加工有长方形锂电池安装槽3.2，电源及参数开关安装槽3.3，上端盖侧面方形通孔3.4，上端盖3内腔底部加工有内螺纹3.5。由锂电池4、引线4.1、sm插头4.2组成电源模块，锂电池4固定于上端盖的长方形锂电池安装槽3.2内，引线从锂电池正负极引出，通过sm插头4.2与pcb板电源接口6.1连接。
34.由电源及参数开关5、引线5.1、电源sm插头5.2、单片机6.5组成控制模块，电源及参数开关5安装在上端盖电源及参数开关安装槽3.3内，引线从开关处引出，通过电源sm插头5.2与pcb板控制信号接口6.2连接，由pcb板上的印刷线路与单片机6.5相接，开关部分由上端盖3侧面方形通孔3.4露出，方便操作。结构安装情况见图2、图3、图4。
35.由表面贴片传感器10、帽壳类接触传感器11、航空插头接口9组成信号输入模块；帽壳类接触传感器11安装在下端盖的中心沉头螺栓孔12.6和底板中心孔13.3中，由引线接入pcb板输入信号接口6.4，其引线由右侧通孔12.4探出接触待测温点，并与单片机6.5相接；见图3、图4。
36.下端盖12为圆柱形，上部外轮廓表面加工有外螺纹12.7，下端盖12底部内有四个均布的短圆柱凸台12.2，每个短圆柱凸台12.2中心有螺纹孔，底板13有四个沉头通孔13.1通过4个螺钉将底板13分别与4个短圆柱凸台上螺纹孔连接固定；两个连接螺钉6.7通过前后连接孔6.8、6.9将pcb板6固定在下端盖12内的两个带螺钉孔的前、后长圆柱凸台12.3、12.5上；下端盖12上部通过外螺纹12.7与上端盖3下部内螺纹3.5连接固定；
37.由pcb板6、单片机6.5、无线通讯模块6.3组成信号转换模块；单片机6.5和无线通讯模块6.3均布置在pcb板下表面上，通过印刷电路连接其他接口。由于环境温度变化导致ntc热敏电阻的阻值发生变化，电流产生微弱变化，其电流变化信息被单片机6.5捕捉，转化为电信号输入到无线通讯模块6.3；由无线通讯模块6.3、天线接口7、可旋转胶棒天线8组成信号输出模块，天线接口7固定在下端盖12左侧边通孔12.1中，由引线接于pcb板输出信号接口6.6上，可旋转胶棒天线8在外侧与天线接口7相连，温度传感器所测数据传输到无线通讯模块6.3，无线通讯模块通过可旋转胶棒天线使用433mhz fsk射频通讯技术将温度信号传出；安装情况见图2、图3、图5、图6。
38.在测温过程中，帽壳类接触传感器11位于整个装置的底部与安装面接触，准确的获取测点处的温度数据。表面贴片传感器10为外延引线型，在一些局部空间狭小、待测点所处平面不平整等条件恶劣的复杂环境中，贴于测点获取温度数据。
39.采用三种温度数据输入方式：第一种是输入帽壳类接触传感器所测的温度信号，第二种是输入表面贴片传感器所测温度信号，第三种是同时输入表面贴片传感器与帽壳类接触传感器各自所测得的温度信号，根据不同的工作要求和工况，可选择适合的测温方式。
40.采用底板更换方式对铁磁性材料，使用磁吸式底板；对非铁磁性材料，使用胶粘式底板；由于底板的可更换性，可以根据不同的应用工况开发不同类型的底板，扩大了装置的适用范围，提高了应用的便利性；本实施例采用胶粘式底板，结构安装情况见图3、图8。
41.装置各部分结构之间采用螺纹连接的方式，拆卸方便，易于更换电池、配件，易于检测、维修。

技术特征：
1.一种空间坐标与温度信息同步采集的测量装置，其特征在于，该装置采用模块化设计，装置整体外形组装成圆柱形结构，采用无线通讯与传感器配合两种测温方式测量；该装置由空间坐标测量部分和温度测量部分构成；所述空间坐标测量部分由激光跟踪仪(15)、靶球(1)和带螺栓靶座(2)组成；靶球(1)吸附于靶座(2)上，带螺栓靶座(2)通过螺栓与上端盖(3)的螺纹孔(3.1)螺纹连接固定；所述温度测量部分由上端盖(3)、锂电池(4)、电源及参数开关(5)、pcb电路板组件、天线接口(7)、可旋转胶棒天线(8)、航空插头接口(9)、表面贴片传感器(10)、帽壳类接触式传感器(11)、下端盖(12)、底板(13)、粘贴(14)组成；上端盖(3)为圆柱形，上表面中心加工有上端盖螺纹中心孔(3.1)，内腔加工有长方形锂电池安装槽(3.2)，电源及参数开关安装槽(3.3)，上端盖侧面方形通孔(3.4)，上端盖(3)内腔底部加工有内螺纹(3.5)；由锂电池(4)、引线(4.1)、sm插头(4.2)组成温度测量部分电源模块，锂电池(4)固定于上端盖的长方形锂电池安装槽(3.2)内，引线从锂电池正负极引出，通过sm插头(4.2)与pcb板电源接口(6.1)连接；由电源及参数开关(5)、引线(5.1)、电源sm插头(5.2)、单片机(6.5)组成控制模块，电源及参数开关(5)安装在上端盖电源及参数开关安装槽(3.3)内，引线从开关处引出，通过电源sm插头(5.2)与pcb板控制信号接口(6.2)连接，由pcb板上的印刷线路与单片机(6.5)相接，开关部分由上端盖(3)侧面方形通孔(3.4)露出，方便操作；由pcb板(6)、单片机(6.5)、无线通讯模块(6.3)组成信号转换模块，单片机(6.5)和无线通讯模块(6.3)均布置在pcb板下表面上，通过印刷电路连接其他接口；由于环境温度变化导致ntc热敏电阻的阻值发生变化，电流产生微弱变化，其电流变化信息被单片机(6.5)捕捉，转化为电信号输入到无线通讯模块(6.3)；由无线通讯模块(6.3)、天线接口(7)、可旋转胶棒天线(8)组成信号输出模块，天线接口(7)固定在下端盖(12)左侧边通孔(12.1)中，由引线接于pcb板输出信号接口(6.6)上，可旋转胶棒天线(8)在外侧与天线接口(7)相连，温度传感器所测数据传输到无线通讯模块(6.3)，无线通讯模块通过可旋转胶棒天线使用433mhz fsk射频通讯技术将温度信号传出；表面贴片传感器(10)、帽壳类接触传感器(11)、航空插头接口(9)组成温度测量部分信号输入模块，帽壳类接触传感器(11)安装在下端盖的中心沉头螺栓孔(12.6)和底板中心孔(13.2)中，由引线接入pcb板输入信号接口(6.4)，其引线由右侧通孔(12.4)探出接触待测温点，并与单片机(6.5)相接；下端盖(12)为圆柱形，其上部外轮廓表面加工有外螺纹(12.7)，下端盖(12)底部内有四个均布的短圆柱凸台(12.2)，每个短圆柱凸台(12.2)中心有螺纹孔，底板(13)有四个沉头通孔(13.1)通过4个螺钉将底板(13)分别与4个短圆柱凸台上螺纹孔连接固定；两个连接螺钉(6.7)分别通过pcb板(6)上的前后连接孔(6.8、6.9)将pcb板(6)固定在下端盖(12)内的两个带螺钉孔的前、后长圆柱凸台(12.3、12.5)上；下端盖(12)上部通过外螺纹(12.7)与上端盖(3)下部内螺纹(3.5)连接固定；底板(13)有两种：磁性底板和粘贴底板，若测点位置为铁磁性材料表面，使用磁性底板；若测点位置为非铁磁性材料表面，使用粘性底板，两者可以互换；粘贴底板(13)具有底板中心通孔(13.2)和圆环凹槽(13.3)，将粘贴(14)贴在圆环凹槽(13.3)中，方便更换和开发。

技术总结
本发明涉及一种空间坐标与温度信息同步采集的测量装置，包括温度测量部分和空间坐标测量部分，空间坐标测量部分由与激光跟踪仪配套的靶球和带螺栓靶座组成；温度测量部分由上端盖、锂电池、电源及参数开关、PCB电路板、天线接口、可旋转胶棒天线、航空插头接口、表面贴片传感器、帽壳类接触式传感器、下端盖、底板、粘贴组成。本发明拥有两种测温方式，温度数据通过无线通讯的方式传输，装置测温部分与靶座螺纹连接，靶球通过磁力吸附于靶座，能够同时获取测点空间坐标及其区域内的温度数据。本发明整体模块化设计，结构紧凑，模块化组装的圆柱外形结构和无线通讯、多方式测温的特点在大型构件装配现场环境中适用范围广、可靠性强。可靠性强。可靠性强。


技术研发人员：张洋 宿一品 金昱霖 李俊卿 逯永康 刘巍
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/7