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专利名称：用于测量表面轮廓的装置和方法
技术领域：
一般地说，本发明涉及表面轮廓测量仪，更具体地说，本发明涉及用于刚性或半刚性基体诸如地板等的非接触式二维测绘装置。
背景技术：
通常采用如下数字或模拟装置实现将表面轮廓转换为可计量数据即，该装置具有一个测量与表面平行的线性位置的部件和另一个测量与表面垂直的相对距离的部件。在最简单的方法中，将直边线性测量装置诸如尺子等放在表面上，使用第二线性测量装置确定从直边到表面的垂直距离。在大多数情况下，表面与线性测量装置的顶端接触，线性测量装置的顶端设置成垂直于表面的大致平面。在表面为水平表面的情况下，测量装置显示相对于顶端沿着表面的水平位置的顶端竖直位置。或者通过附着在顶端自身上的附件，诸如笔等在坐标纸上记录顶端竖直位置，或者诸如数据采集软件在计算机中以电子方式记录顶端竖直位置，或者通过装置的操作者以手动方式记录顶端竖直位置。记录数据的分辨率取决于垂直线性测量装置在保持与表面垂直的方向的同时保持与表面接触的能力以及顶端适应沿着表面的任何缝隙的能力。
在使用非接触技术确定装置面与表面的垂直距离的测量装置中，通常采用复杂部件诸如速率陀螺仪等实现相对的水平放置。这些装置通常实质上为机器人并且沿着表面自行驱动。对于这种装置，与表面平行的分辨率依赖于运输装置的精度。这种装置的功能只限于水平表面。另外，这种装置的复杂性也导致高成本。

发明内容
本发明公开一种用于测量表面轮廓的装置。该装置包括(a)梁；(b)至少一个梁支撑件，其安装在所述梁上；(c)传感器组件，其与所述梁可滑动地连接并且适合于测量与所述表面的距离；以及(d)变换器组件，其适合于测量所述传感器组件沿着所述梁的位置。
在本发明的多种实施例中，传感器组件包括激光三角测量传感器，变换器组件包括与传感器组件连接的电缆，诸如弹簧加载电缆(spring loaded calbe)等。
在其它实施例中，该装置还可以包括水准测量仪和水准测量工具以便帮助相对于测量表面定位所述梁。该装置还可以包括用于在所述梁上横向定位所述传感器组件的电机或移动把手。
在另一个实施例中，传感器组件和/或变换器组件可以与用于存储和处理信息的数据采集装置诸如便携式计算机等连接。
在另一个方面，本发明提供一种用于测量表面诸如地板等的轮廓的方法，该方法包括如下步骤(a)沿着梁将传感器组件放在第一位置处；(b)在所述第一位置处测量从所述传感器组件到所述表面的距离；(c)在所述第一位置处测量所述传感器组件在所述梁上的横向位置；(d)沿着梁将所述传感器组件放在第二位置处；(e)在所述第二位置处测量从所述传感器组件到所述表面的距离；以及(f)在所述第二位置处测量所述传感器组件在所述梁上的横向位置。然后可以将采集的测量值对传送到用于存储和/或处理的数据采集装置中。使用这些测量值，可以产生所述表面的二维轮廓。
根据下面的详细说明、附图以及权利要求书可以理解本发明的其它特征和优点。


图1是显示根据本发明的示例性装置的斜视图的示意图。
图1A显示传感器组件与测量表面之间的相互作用的放大图。
图2是设置于待测表面上方的示例性表面轮廓测量仪的示意图。
图3是显示图1所示示例性装置的横截面的示意图。
具体实施例方式
一般地说，本发明涉及一种在本文中称为便携式轮廓测量仪的装置，该装置通过非接触方法测量非移动表面的轮廓。在一个实施例中，轮廓测量仪包括由一个或多个梁支撑件支撑在待测表面上的梁。设置在梁上的传感器组件能够沿着梁上的支承轨道来回移动。梁支撑件允许离开表面并且通常平行于表面以某一距离布置梁和传感器组件。在传感器组件沿着梁来回移动的过程中，传感器组件为数据采集装置提供关于表面与传感器组件之间的距离的信息。同时，位置变换器为数据采集装置提供关于传感器组件沿着支承轨道的横向距离的信息。当传感器在梁上来回移动时，在数据采集系统中执行的算法以位置变换器测量的用户定义的横向距离增量记录来自传感器的信号。一旦完成来回移动，采集的数据点对就由该算法存储，并且被用于确定沿着选定方向的表面轮廓的二维描述。
本发明的表面轮廓测量仪可以用于确定微观尺寸和宏观尺寸的表面轮廓。可以使用该装置测量轮廓的表面包括工作台面、墙壁、地板和天花板。表面材料可以包括木材、混凝土、塑料、玻璃、金属以及其它刚性和半刚性材料。本发明的轮廓测量仪可以用于确定表面与平面的一般偏差，即表面的轮廓分布或波纹度。该轮廓测量仪还可以用于确定表面的宏观结构，例如浇筑混凝土墙壁的孔隙率或者研磨材料的粗糙度。此外，本发明的轮廓测量仪可以用于确定微结构表面的形貌。
图1显示根据本发明的表面轮廓测量仪的一个实施例。轮廓测量仪100(在图2中显示为200)包括梁110，该梁具有靠近一端的左梁支撑件120和靠近相对端的右梁支撑件125。传感器组件130通过可选的传感器支撑件150A和150B与支承160连接。支承160与支承轨道170可滑动地接触，并且通过移动把手190平行于梁110手动施力可以使支承160沿着支承轨道来回移动。通过电缆135由位置变换器组件140检测传感器组件130沿着梁110的横向位置，电缆135在一端与位置变换器组件140连接并且在另一端与传感器支撑件150B连接。在图1所示实施例中，位置变换器组件140安装在左梁支撑件120的一侧，电缆135通过设置在左梁支撑件120中的电缆孔145。当使用轮廓测量仪时，从传感器130经由传感器输出孔185将来自传感器130的关于表面105(在图2中显示为205)的距离的信息传递给数据采集装置(未示出)。同时，从位置变换器组件140通过变换器输出孔180将关于传感器组件130沿着梁110的横向距离的信息传递给数据采集装置。
梁110可以由在传感器组件130沿着梁来回移动的过程中提供抗弯曲性的任何材料和横截面几何形状构成。适合于构成梁110的材料包括如下任何材料即，该材料具有足够的刚性以便抵抗相对于期望的测量精度的重大偏差。合适的材料包括金属、塑料、木材等。金属可以包括但是不限于铝、钢、铁、铜、黄铜和镍。铝因为其高强度重量比而成为特别适合的金属。合适的塑料包括工程材料诸如尼龙、聚烯烃和聚酯等。梁110(在图3中显示为310)的横截面可以为任何几何形状，包括但是不限于矩形、圆形、椭圆形和三角形。
梁110通常通过机械加工或者以其它方式形成为单件。单件式梁结构被认为为支承轨道170和传感器组件130提供最大的稳定性和支撑。可以想到，对于一些应用，梁110和支承轨道170可以铰接或者以其它方式适合于折叠，以方便存放或搬运。
梁110在一端附近由左梁支撑件120支撑并且在另一端由右梁支撑件125支撑。两个梁支撑件可以由任何刚性材料构成并且可以为任何合适的几何形状。两个梁支撑件的功能是使梁悬挂在被测表面上方。不要求使梁110保持在水平位置，因此，不要求左梁支撑件120和右梁支撑件125可以调节，尽管在需要的情况下所述梁也可能可以调节。对于某些实施例，可以想到，水准测量仪195和水准测量工具可以与轮廓测量仪100连接或者作为轮廓测量仪100的组成部分，以便帮助将梁定位成通常平行于测量表面。在被测形貌是相对于水平面时，这种水准测量工具特别有用。示例性的水准测量仪可以是气泡水平仪。示例性的水准测量工具可以包括一个或多个与每个梁支撑件120和125连接的可调节螺钉。
当被测表面为水平面诸如地板等时，通常通过重力将轮廓测量仪保持在适当位置。当表面为墙壁或其它竖直表面时，梁支撑件可以配备有抽吸装置或类似工具，用于将轮廓测量仪保持在待测量表面上。
因为传感器组件130在两个梁支撑件之间来回移动，左梁支撑件120与右梁支撑件125之间的距离决定轮廓测量仪测量的表面的最大长度。为了测量大面积表面，例如十英尺或更大跨度的表面，提供一个或多个可选的、可调节的梁支撑件，这些梁支撑件在左梁支撑件120与右梁支撑件125之间沿着梁110间隔设置，这样可能很有利。可调节的梁支撑件在一端与梁110连接并且可以调节为刚好提供与表面105的接触，从而在传感器组件130的来回移动过程中为梁110提供更高的抗弯曲性。
支承轨道170(在图3所示横截面中显示为370)由梁110(在图3中显示为310)支撑，并且优选的是，安装到梁110上。传感器组件130(在图3中显示为330)通过支承160(在图3中显示为360)可滑动地安装到支承轨道170上，以便允许传感器组件130沿着梁110的长度移动到任何位置。支承160的横截面几何形状与支承轨道170的横截面几何形状相反。支承160的几何形状与支承轨道170的几何形状匹配得越精确，支承160相对于支承轨道170的随意运动就越少，因此可以由轮廓测量仪获得的测量值就越精确。
优选的是，支承160和支承轨道170由相同材料构成。适合构成支承轨道170和支承160的材料包括金属、塑料等。金属可以包括但是不限于铝、钢、铁、铜、黄铜和镍。通常，支承和支承轨道都由铝构成。合适的塑料可以包括工程材料诸如尼龙、聚烯烃和聚酯等。关于梁110，支承轨道170通常沿其长度通过机械加工或其它方式形成为单件。当传感器组件130沿着支承轨道来回移动时，单件式支承轨道结构为传感器组件130提供了平滑运输，于是为传感器组件130输出的数据提供了最高的精度。
一个或多个如图1和图1A中150A和150B(在图3中显示为350A和350B)所示的可选的传感器支撑件可以用于允许传感器组件130以有利的位置安装在支承160上。例如，在图1中显示，传感器组件130通过传感器支撑件150A和150B与梁110垂直地设置。在该位置中，电缆135(在图2中显示为235)可以通过图2中显示为247的电缆连接件方便地与传感器支撑件150B连接。在另一个实施例中，可以通过将传感器组件130直接安装在传感器支撑件150A上而将传感器组件130设置为与梁110平行。传感器组件130也可以直接安装在支承160上。
现在参照图1和图1A，传感器组件130中的发射器(未示出)发出能量束132，该能量束从表面105沿着路线134朝向传感器组件130中的接收器(未示出)反射。传感器组件130经由传感器输出孔185将接收的信息传送给数据采集装置，例如膝上型计算机。信号处理将接收的信息转变成，例如竖直位置信息。同时，位置变换器140经由变换器输出孔180(在图3中显示为380)传送关于传感器组件130沿着支承轨道170的横向位置的信息。来自任一输出孔的数据传送可以通过输出孔与数据采集装置之间的线连接实现。数据传送也可以通过其它手段诸如无线电频率、红外频率通信或无线通信的其它形式等实现。
典型的传感器组件130为激光三角测量传感器诸如Micro-Epsilon，Raleigh，NC销售的商品名称为“optoNCDT 1400”的型号ILD 1400-50等。传感器的选择可以由本领域的普通技术人员决定，并且这里说明，传感器的选择一定程度上由期望的测量分辨率和传感器组件与被测表面的距离决定。通常使用一些非接触式传感器的形式。合适的传感器选择包括但是不限于超声波飞行时间、激光飞行时间，并且为了接近小变化的测量，包括电容性或电感性(包括涡流)位移传感器。
再次参照图1，当传感器组件130沿着支承轨道170来回移动时，传感器组件130的横向位置由位置变换器组件140确定。在所示实施例中，位置变换器组件140包括容纳在位置变换器组件140内部的弹簧加载电缆。电缆135在一端连接在位置变换器组件内，通过左梁支撑件120中的电缆孔145，并且在另一端通过电缆连接件247(参见图2)与传感器支撑件150B连接。在一个实施例中，位置变换器组件140可以为电缆装置诸如Celesco Transducer Products，Chatsworth，CA销售的商品名称为“PT5DC Cable ExtensionPosition Transducer”的产品等。电缆135在位置变换器组件140内部保持张力。另外可以想到，允许确定传感器组件沿着梁的横向位置的任何测量系统都适合用作位置变换器。其它合适的测量系统的例子包括激光传感器、超声波传感器、线性电阻装置以及光学或磁编码器。
图1中的移动把手190(在图3中显示为390)允许轮廓测量仪100的使用者沿着支承轨道170手动横向移动传感器组件130。在本发明轮廓测量仪的一个实施例中，图1中的变换器组件140(在图3中显示为340)包括保持电缆135上张力的工具，从而朝向左梁支撑件120(在图3中显示为320)附近的原位置或开始位置推动相连的传感器组件130。
传感器组件130沿着支承轨道170的横向移动也可以通过机械方式实现。作为示例，第二电缆在一端与机动缠绕/非缠绕工具连接并且在另一端与传感器组件连接，以便第二电缆可以朝向右梁支撑件125拉传感器组件。作为选择，与传感器组件连接并且由伺服电机驱动的导向螺杆可以使传感器组件130沿着支承轨道170移动。
本发明的装置可以用于测量多种不同类型的表面的轮廓，包括工作台面、墙壁、地板、天花板、结构材料诸如研磨剂、钢板、微结构表面等。例如，轮廓测量仪可以用于在将最终覆盖物层叠到表面上之前确定工作台面基体的相对平面度。轮廓测量仪也可以用于确定研磨剂表面的磨损特征，使得使用者能够知道何时研磨剂不再有效。在另一个实例中，本发明的具有细长梁的轮廓测量仪可以用来确定大面积地板的总体轮廓，诸如仓库、车库等中使用的大面积地板的总体轮廓。
上面已经结合几个实施例说明了本发明。上述具体实施例和实例的说明用于举例说明本发明，而并不用于限制本发明的范围。本领域的技术人员将可以认识到，可以在不脱离本发明的精神和范围的条件下对所述实施例进行很多变化。
权利要求
1.一种用于测量表面轮廓的装置，该装置包括(a)梁；(b)至少一个梁支撑件，其安装在所述梁上；(c)传感器组件，其与所述梁可滑动地连接并且适合于测量与所述表面的距离；以及(d)变换器组件，其适合于测量所述传感器组件沿着所述梁的位置。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述传感器组件包括激光三角测量传感器。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述变换器组件包括与所述传感器组件连接的电缆。
4.如权利要求1所述的装置，还包括水准测量仪。
5.如权利要求1所述的装置，还包括用于沿着所述梁移动所述传感器组件的电机。
6.如权利要求1所述的装置，还包括用于在所述梁上手动定位所述传感器组件的移动把手。
7.如权利要求1所述的装置，还包括与所述传感器组件和所述变换器组件连接的数据采集装置。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述梁支撑件具有可调节的长度。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述表面为地板。
10.一种用于测量表面轮廓的方法，该方法包括如下步骤(a)沿着梁将传感器组件放在第一位置处；(b)在所述第一位置处测量从所述传感器组件到所述表面的距离；(c)在所述第一位置处测量所述传感器组件在所述梁上的横向位置；(d)沿着梁将所述传感器组件放在第二位置处；(e)在所述第二位置处测量从所述传感器组件到所述表面的距离；以及(f)在所述第二位置处测量所述传感器组件在所述梁上的横向位置。
11.如权利要求10所述的方法，还包括步骤(g)将测量信息传送到数据采集装置中。
12.如权利要求11所述的方法，还包括步骤(h)产生所述表面的二维轮廓。
全文摘要
本发明提供一种用于刚性或半刚性基体诸如地板等上的表面轮廓测量装置。该装置包括(a)梁；(b)至少一个梁支撑件，其安装在所述梁上；(c)传感器组件，其与所述梁可滑动地连接并且适合于测量与所述表面的距离；以及(d)变换器组件，其适合于测量所述传感器组件沿着所述梁的位置。
文档编号G01B11/30GK1898525SQ200480039004
公开日2007年1月17日 申请日期2004年12月21日 优先权日2003年12月24日
发明者贾斯廷·W·威廉 申请人:3M创新有限公司