一種多功能測量的數字地質羅盤儀的製作方法

2023-06-10 04:44:41 1

專利名稱：一種多功能測量的數字地質羅盤儀的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於地質羅盤儀技術領域，涉及一種多功能測量的數字地質羅盤儀。
背景技術：
目前，地質羅盤儀均是機械式指針設計，常用於測量各種地質構造的方位角(走向、傾向)、傾角。這種羅盤有如下缺點:(I)測量精度誤差大:比如在測量方位時需要首先保持相對水平，這就需要觀察用於測量水平的水銀泡居中平衡狀態，由於手持羅盤產生的顫動此時會存在觀察誤差。在相對水平後讀取數據時或讀取指針漂移中心值或手動控制指針停止擺動，這時也會產生至少1-3度的誤差，與前述誤差累積會產生更大的誤差。而在機械部件老化及使用環境惡劣時，傳統羅盤的誤差會更大。測量傾角時需要首先獲取水平方向，也同樣會產生較大誤差；(2)操作效率低:傳統羅盤由於在測量時受到前述保持水銀泡的平衡、觀測指針平衡都比較費時，並且往往需要重複多次才能獲取比較準確的數據；測量傾角時也需要重複上述過程，故此需要花費相對較多的時間，這在礦井井下較惡劣甚至不安全的條件下，使用這種羅盤儀就有十分明顯的不足。

實用新型內容本實用新型解決的問題在於提供一種多功能測量的數字地質羅盤儀，其測量精度高且操作效率高，同時具備衛星定位、氣溫、氣壓、高程數據的採集與各類數據的存儲功能。本實用新型所採用的技術方案是:—種多功能測量的數字地質羅盤儀，包括殼體，殼體內設置有分別與存儲與控制電路相連接的氣壓高程測量電路、方位角與傾角數據採集調理電路、衛星定位模塊、電源電路和顯示模塊；存儲與控制電路讀取方位角與傾角數據採集調理電路所測量到的方位角與傾角原始數據，經運算獲得方位角、仰俯角和側滾角，將方位角、仰俯角和側滾角數據，並實時顯示在顯示模塊的顯示屏上；存儲與控制電路讀取氣壓高程測量電路所測量到的氣壓、溫度數據，經運算獲得高程，將氣壓、溫度、高程數據，並在顯示模塊的顯示屏上顯示；存儲與控制電路讀取衛星定位模塊所測量到的經緯度，將經緯度數據在顯示模塊的顯示屏上顯示。所述的方位角與傾角數據採集調理電路包括磁傳感器、加速度傳感器和A/D轉換器，A/D轉換器將磁傳感器、加速度傳感器所採集的原始數據的調理並將其發送給存儲與控制電路。所述磁傳感器為3軸磁傳感器，所述加速度傳感器為3軸加速度傳感器；或者是集成3軸磁傳感器與3軸加速度傳感器的集成傳感器。所述的殼體內還設有與存儲與控制電路相連接的雷射模塊，存儲與控制電路控制雷射模塊的雷射指向和/或雷射投線；存儲與控制電路控制雷射模塊的雷射指向，使雷射模塊發射一束與當前羅盤儀方位角一致的雷射束；存儲與控制電路控制雷射模塊的雷射投線，使雷射模塊發射一條與當前羅盤儀傾斜角度一致的雷射線。所述的氣壓高程測量電路包括氣壓力傳感器和轉換器，轉換器將氣壓力傳感器所採集的氣壓、溫度原始數據的調理並將其發送給存儲與控制電路。所述的衛星定位模塊還連接有天線，採用GPS定位模塊、北鬥系統定位模塊、格洛納斯定位模塊、伽利略系統定位模塊中的一種或幾種組合；衛星定位模塊將所檢測的定位信息發送給存儲與控制電路。所述存儲與控制電路包括通過數據總線相連接的控制器和存儲器。所述的顯示模塊包括顯示驅動電路和顯示屏，顯示驅動電路在存儲與控制電路的控制下驅動顯示屏，將相應的內容顯示在顯示屏。當顯示在顯示模塊上數據需要保存時，在存儲至存儲與控制模塊的控制下，該數據被存儲至存儲與控制模塊。與現有技術相比，本實用新型具有以下有益的技術效果:本實用新型提供的多功能測量的數字地質羅盤儀，利用方位角與傾角數據採集調理電路對方位角、傾斜角度進行採集，且操作十分便利，可以在不必刻意保持羅盤水平下實時讀取，大幅減少操作時間。利用氣壓高程測量電路所測量到的氣壓、溫度數據，經運算獲得高程，並通過衛星定位模塊所測量到的經緯度和高程數據；這樣可以及時為野外地質工作者提供包括方位角、傾角及衛星定位、氣溫、氣壓和高程等必要的環境數據依據，對野外地質工作具有顯著的實用價值。進一步，本實用新型提供的多功能測量的數字地質羅盤儀，在存儲與控制電路的配合下，利用磁傳感器單元電路，輔助以雷射模塊的雷射指向功能實現對方位角進行採集；利用傾角傳感器單元電路，輔助以雷射模塊的雷射投線功能，對傾斜角度進行採集，且操作十分便利，大幅提高測量的精準度，可以在不必刻意保持羅盤水平下實時讀取，大幅減少操作時間。

圖1是本實用新型多功能測量的數字地質羅盤儀的連接示意圖；圖2是本實用新型多功能測量的數字地質羅盤儀的結構框圖；圖3是本實用新型多功能測量的數字地質羅盤儀的使用操作流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進一步詳細的說明，所述是對本實用新型的解釋而不是限定。
以下結合附圖對本實用新型礦用數字地質羅盤儀做詳細描述:參見圖1、圖2，一種多功能測量的數字地質羅盤儀，包括殼體，殼體內設置有分別與存儲與控制電路相連接的氣壓高程測量電路、雷射模塊、方位角與傾角數據採集調理電路、衛星定位模塊、電源電路和顯示模塊；存儲與控制電路讀取方位角與傾角數據採集調理電路所測量到的方位角與傾角數據，經運算獲得仰俯角和側滾角，將方位角、仰俯角和側滾角在顯示模塊的顯示屏上顯示，並可予以存貯；存儲與控制電路讀取氣壓高程測量電路所測量到的氣壓、溫度數據，經運算獲得高程，將氣壓、溫度、高程在顯示模塊的顯示屏上顯示，並可予以存貯；存儲與控制電路讀取衛星定位模塊所測量到的經緯度和高程數據，將經緯度和高程在顯示模塊的顯示屏上顯示，並可予以存貯。進一步，存儲與控制電路控制雷射模塊的雷射指向功能，該功能能夠使羅盤儀發射一個與當前羅盤儀方位角一致的雷射束，輔助方位角測量時測量方位的確定；存儲與控制電路控制雷射模塊的雷射投線功能，該功能能夠使羅盤儀發射一條與當前羅盤儀傾斜角度(仰俯角和側滾角)一致的雷射線，輔助傾角測量時測量當前對象傾斜角度的確定；下面對各電路(模塊)進行詳細的說明:氣壓高程測量電路，包括氣壓力傳感器和轉換器，轉換器將氣壓力傳感器所採集的氣壓、溫度原始數據的調理並將其發送給存儲與控制電路。具體採用大氣壓力傳感器，與存儲與控制電路配合，完成大氣壓力、溫度採集，並換算成高程數據的功能。所述的氣壓高程測量電路核心為大氣壓力傳感器。方位角與傾角數據採集調理電路:包括磁傳感器、加速度傳感器和A/D轉換器，A/D轉換器將磁傳感器、加速度傳感器所採集的原始數據的調理並將其發送給存儲與控制電路。所述的方位角與傾角數據採集調理電路核心為磁傳感器、加速度傳感器，磁傳感器調理採集地磁場值作為計算磁方位角的原始數據，加速度傳感器調理採集重力加速度變化值作為傾斜角的原始值。具體的所述磁傳感器為3軸磁傳感器，所述加速度傳感器為3軸加速度傳感器。還可採用將3軸磁傳感器與3軸加速度傳感器的集成設計，即3軸磁力計和3軸加速計的集成傳感器。雷射模塊:所述雷射模塊具備雷射指向功能與雷射投線功能。採用微型的以雷射二極體為核心的模組設計，可以直接採用目前常見的微型雷射束模組、「一字」雷射模組，具備投射點狀雷射、「一字」線雷射功能。雷射指向功能能夠使羅盤儀發射一個與當前羅盤儀方位角一致的雷射束，輔助方位角測量時測量方位的確定；雷射投線功能能夠使羅盤儀發射一條與當前羅盤儀傾斜角度(仰俯角和側滾角)一致的連續雷射線，輔助傾角測量時測量當前對象傾斜角度的確定；衛星定位模塊:採用衛星定位晶片，與存儲與控制電路配合，完成觀測點經緯度及高程坐標數據的獲取功能。可採用GPS定位模塊、北鬥系統定位模塊、格洛納斯定位模塊、伽利略系統定位模塊中的一種或幾種組合。存儲與控制模塊:包括通過數據總線相連接的控制器和存儲器，對整個羅盤操作的電路控制、數據處理，如總電源開關、顯示控制、上述傳感器採集數據的加工處理、方位角、傾角、氣溫、氣壓、高程等數據的存儲、顯示內容控制等。顯示模塊:包括顯示驅動電路和顯示屏，驅動電路在存儲與控制電路指令控制下驅動顯示屏。具體的採用液晶屏顯示模組，用於顯示結果數據如方位角、橫滾角、仰俯角度、氣溫、氣壓高程數據及方位變化模擬圖形、仰俯與橫滾模擬圖形等(仰俯角指當前航向即方位角方向線相對水平面的夾角；橫滾角指羅盤平面垂直於航向方向與水平面的夾角)。當顯示在顯示模塊上數據需要保存時，在存儲至存儲與控制模塊的控制下，該數據被存儲至存儲與控制模塊。電源電路:負責全系統的電路供電。進一步，還設有與存儲與控制電路相連接的數據輸出埠。如圖3所示，本實用新型多功能測量的數字地質羅盤儀，其操作過程包括如下步驟:I)方位角、傾角數據採集:存儲及控制電路通過方位角與傾角採集電路中的處理晶片讀取各傳感器的地磁場數據與加速度變化數據。在必要時(如需要準確對準測量方向、測量對象的傾斜趨勢等)開啟相應的雷射指向、雷射投線功能，進行輔助測量，可以獲取更為準確的對象特徵(方位角、傾角)數據。2)氣壓高程測量電路數據採集:通過氣壓高程測量電路中的處理晶片讀取大氣壓力傳感器的數據，實現原始溫度、大氣壓力數據的獲取，進而通過運算獲得高程數據或高程數據。3)衛星定位數據採集:通過衛星定位模塊，實現對觀測點位置坐標的經緯度值、高程數據的獲取。這樣就可以提供兩種途徑所獲得的高程數據，可以進一步相互印正。4)數據處理:存儲及控制電路對數據採集電路採集的數據在控制電路中進行加工處理，按照各類傳感器原始數據，計算出最終方位角、仰俯、橫滾角度、經緯度、對大氣壓數據進行轉換處理獲取高程，必要時通過進行溫度補償運算可以獲取更高精度的高程數據或直接使用衛星定位的高程數據。數據顯示與存儲對上述處理完畢的數據由控制電路發送指令到顯示模塊進行顯示，控制電路負責對顯示內容的控制。必要時存儲顯示結果，如經緯度、溫度、氣壓、高程、方位角、仰俯、橫滾等。本實用新型提供的多功能測量的數字地質羅盤儀集合雷射技術、衛星定位技術、氣壓傳感器技術、電子羅盤技術、加速度檢測技術，將有效避免傳統羅盤儀設計的不足，並且具備更加適合野外地質調查環境使用的優點，成為地質工作者的新型工作利器，還可以廣泛應用於戶外運動等領域。具體的，本實用新型採用目前市場上可以方便購買到的雷射模組、氣壓傳感器、溫度傳感器、磁傳感器、加速度傳感器，並配以相應的處理晶片，完成各個功能單元的電路設計及存儲與控制電路的連接通訊，從而完成較高精度、同時能夠獲取觀測點坐標、氣溫、氣壓、高程數據的地質羅盤儀。其中:(I)當前市場上的電子羅盤，也叫數字指南針，是利用磁傳感器測量地磁場來定北極的一種裝置。它只能測量方位，不能用於測量傾斜角度。這種電子羅盤或稱數字羅盤已經廣泛應用於手機、筆記本電腦、消費類電子、汽車導航系統和個人導航系統等領域。這種電子羅盤可以分為平面電子羅盤和三維(軸)電子羅盤。平面電子羅盤要求用戶在使用時必須保持羅盤的水平，否則當羅盤發生傾斜時，也會給出航向的變化而實際上航向並沒有變化。三維(軸)電子羅盤克服了平面電子羅盤在使用中的嚴格限制，因為三維(軸)電子羅盤在其內部加入了傾角傳感器，如果羅盤發生傾斜時可以對羅盤進行傾斜補償，這樣即使羅盤發生傾斜，航向(方位)數據依然準確無誤。有時為了克服溫度漂移，羅盤也可內置溫度補償裝置，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。(2)雷射模組:用於投射一條雷射束、雷射線，雷射具有投射距離遠，擴散小的特點，廣泛用於工業、民用的各類需要精確標定方向、水平線的各類場合，如雷射指向儀、精密車床加工的投線儀等。由於本多功能羅盤儀是一種便攜設備，可以採用市場上常見的波長650nm、功耗在5mW左右的微型雷射模組，也可以採購相應的雷射二極體等核心部件，自行設計該組件。(3)加速度傳感器(傾角傳感器)，它可以在傾斜檢測應用中測量靜態重力加速度，還可以測量運動或衝擊導致的動態加速度。其高解析度足以能夠測量不到0.1°的傾斜角度變化。此類晶片採用超低功耗3軸加速度計，可以同時讀取沿航向(方位角方向)上的仰俯角度和垂直航向的橫滾角度，解析度高，可以滿足對各類對象的傾斜角度的測量。並且由於同時可以讀取仰俯、橫滾兩個角度，而給羅盤讀取傾角帶來操作上的便利(不必刻意旋轉羅盤，可以讀取即時的傾角)。(4)大氣壓力傳感器，如BMP085傳感器，並配合數據處理電路設計，結合存儲控制電路完成溫度、氣壓數據獲取，並通過大氣壓與高程的近似線性的轉換算法，獲取高程數據。當前，大氣壓力傳感器廣泛應用於戶外運動、體育、醫療健康、天氣預報等領域，可以實時的溫度、氣壓、高程數據的獲取。本實用新型的氣溫、氣壓、高程數據的獲取功能，即是採用此類大氣壓力傳感器設計實現。這樣，在地質工作應用中可以實現多種有價值數據的獲取，即數字地質羅盤功能(獲取方位角、傾角)與氣溫、氣壓、高程獲取功能相配合，在提高地質工作者的對地質體進行方位角、傾角測量工作效率的同時，還可以獲取到現場更為豐富的科考數據，同時為野外生存提供科考保障。(4)衛星定位模塊，採用當前常見四大衛星導航系統:美國的GPS (全球衛星定位系統)、中國的北鬥系統、俄羅斯的格洛納斯系統、歐洲的伽利略系統技術的一種或多種核心晶片設計實現，獲取觀測點的坐標信息，信息包括經、緯度、高程等數據，衛星導航技術已經廣泛應用於汽車導航、航海航空、地面測繪、軍事等領域。通過該模塊的功能可以使地質工作者或戶外探險者方便地獲得當前的坐標位置及高程數據，當前GPS的地面定位精度為5-15m，北鬥系統的精度為IOm左右。本實用新型通過對上述三方面進行常規電子技術開發，實現礦用地質羅盤儀讀取方位角、傾角的功能。具有如下優點:(I)精度高:兩種傳感器讀取的方位角精度一般可以達到3.0°、傾角測量精度一般可以達到0.1° ;配合雷射指向、雷射投線功能，能夠使用戶更加準確地測量被測對象的特徵值(方位角、傾角)。(2)操作十分便利:該數字羅盤在讀取方位角時由於採用三維(軸)技術，有角度補償功能，可以在不必刻意保持羅盤水平下實時讀取，大幅減少操作時間。( 3 )重量輕攜帶更加方便:由於該設計是基於電子產品設計模式，可以實現羅盤重量僅為傳統羅盤的1/2，厚度尺寸達到傳統羅盤的1/3左右。(4)數據更為豐富:對於野外地質工作者或戶外運動者除了一般地質羅盤具有的測量方位、傾角功能外，更可以獲取經緯度坐標、溫度、壓力、高程等數據，從而為地質工作提供更為豐富可靠的成果，同時，為野外工作者的生存能力提供保障。以上所述僅為本實用新型的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領域普通技術人員通過閱讀本實用新型說明書而對本實用新型技術方案採取的任何等效的變換，均為本實用新型的權利要求所涵蓋。
權利要求1.一種多功能測量的數字地質羅盤儀，其特徵在於，包括殼體，殼體內設置有分別與存儲與控制電路相連接的氣壓高程測量電路、方位角與傾角數據採集調理電路、衛星定位模塊、電源電路和顯示模塊； 存儲與控制電路讀取方位角與傾角數據採集調理電路所測量到的方位角與傾角原始數據，經運算獲得方位角、仰俯角和側滾角，將方位角、仰俯角和側滾角數據，並實時顯示在顯示模塊的顯示屏上； 存儲與控制電路讀取氣壓高程測量電路所測量到的氣壓、溫度數據，經運算獲得高程，將氣壓、溫度、高程數據，並在顯示模塊的顯示屏上顯示； 存儲與控制電路讀取衛星定位模塊所測量到的經緯度，將經緯度數據在顯示模塊的顯示屏上顯示。
2.如權利要求1所述的多功能測量的數字地質羅盤儀，其特徵在於，所述的方位角與傾角數據採集調理電路包括磁傳感器、加速度傳感器和A/D轉換器，A/D轉換器將磁傳感器、加速度傳感器所採集的原始數據的調理並將其發送給存儲與控制電路。
3.如權利要求2所述的多功能測量的數字地質羅盤儀，其特徵在於，所述磁傳感器為3軸磁傳感器，所述加速度傳感器為3軸加速度傳感器； 或者是集成3軸磁傳感器與3軸加速度傳感器的集成傳感器。
4.如權利要求1所述的多功能測量的數字地質羅盤儀，其特徵在於，所述的殼體內還設有與存儲與控制電路相連接的雷射模塊，存儲與控制電路控制雷射模塊的雷射指向和/或雷射投線； 存儲與控制電路控制雷射模塊的雷射指向，使雷射模塊發射一束與當前羅盤儀方位角一致的雷射束； 存儲與控制電路控制雷射模塊的雷射投線，使雷射模塊發射一條與當前羅盤儀傾斜角度一致的雷射線。
5.如權利要求1所述的多功能測量的數字地質羅盤儀，其特徵在於，所述的氣壓高程測量電路包括氣壓力傳感器和轉換器，轉換器將氣壓力傳感器所採集的氣壓、溫度原始數據的調理並將其發送給存儲與控制電路。
6.如權利要求1所述的多功能測量的數字地質羅盤儀，其特徵在於，所述的衛星定位模塊還連接有天線，採用GPS定位模塊、北鬥系統定位模塊、格洛納斯定位模塊、伽利略系統定位模塊中的一種或幾種組合；衛星定位模塊將所檢測的定位信息發送給存儲與控制電路。
7.如權利要求1所述的多功能測量的數字地質羅盤儀，其特徵在於，存儲與控制電路包括通過數據總線相連接的控制器和存儲器。
8.如權利要求1所述的多功能測量的數字地質羅盤儀，其特徵在於，所述的顯示模塊包括顯示驅動電路和顯示屏，顯示驅動電路在存儲與控制電路的控制下驅動顯示屏，將相應的內容顯示在顯示屏。
9.如權利要求1所述的多功能測量的數字地質羅盤儀，其特徵在於，當顯示在顯示模塊上數據需要保存時，在存儲至存儲與控制模塊的控制下，該數據被存儲至存儲與控制模塊。
專利摘要本實用新型提供了一種多功能測量的數字地質羅盤儀，包括殼體，殼體內設置有分別與存儲與控制電路相連接的氣壓高程測量電路、方位角與傾角數據採集調理電路、衛星定位模塊、雷射模塊、電源電路和顯示模塊。本實用新型利用氣壓高程測量電路所測量到的氣壓、溫度數據，經運算獲得高程，並通過衛星定位模塊所測量到的經緯度和高程數據。這樣該數字地質羅盤儀可以為野外地質工作者提供包括方位角、傾角及衛星定位、氣溫、氣壓和高程等必要的環境數據，對野外地質工作具有顯著的實用價值。
文檔編號G01C17/00GK203083570SQ20132006993
公開日2013年7月24日 申請日期2013年2月6日 優先權日2013年2月6日
發明者馬培銓, 孫健, 馬慶勳 申請人:馬慶勳