用于测量平面倾角的设备

摘要

一种用于测量平面倾角的设备，属于倾角测量领域。它包括动体和至少两组用于测量旋转角的模块；动体的N03平面能够相对于P01点倾斜，经P01点设非水平面且相互垂直的N11平面和N12平面；其中至少一组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线被配置在N11平面的平行面上，该些组用于测量旋转角的模块对应的旋转角第一测量区在N11平面上接续形成旋转角第三测量区；其中至少一组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线被配置在N12平面的平行面上，该些组用于测量旋转角的模块对应的旋转角第一测量区在所述N12平面上接续形成旋转角第四测量区。它属于一种能够应用于测量平面倾角的新结构。

权利要求

1.一种用于测量平面倾角的设备，其特征在于，包括动体和至少两组用于测量旋转角的模块；

所述动体的N03平面能够相对于P01点倾斜，经所述P01点虚设N01平面、N02垂面、N11平面和N12平面，所述N01平面与所述N02垂面的夹角＜90°,所述N11平面和所述N12平面均为非水平面且相互垂直设置，所述N11平面与所述N12平面均为垂面；

每一组用于测量旋转角的模块包括低点找平机构和活动子位置测量单元，所述低点找平机构包括活动子和活动子导向器，使用过程中，所述活动子能够在所述活动子导向器限定的预定轨迹线上活动，所述预定轨迹线在所述N02垂面内的第一投影曲线属于全凸闭合曲线的一部分，且所述N01平面上的任一法线与所述预定轨迹线有至多一个交点，所述P01点对应设置在所述第一投影曲线的凹侧，所述活动子位置测量单元用于测量所述活动子在所述预定轨迹线上的位置，或者用于测量所述活动子在所述N01平面上的投影位置；

在每一组用于测量旋转角的模块中，所述活动子导向器与所述动体保持相对静止设置，所述预定轨迹线为平行于所述N01平面设置的平面曲线，每一组用于测量旋转角的模块对应的预定轨迹线在所述N01平面上的第二投影曲线围绕所述P01点形成旋转角第一测量区；

其中至少一组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线被配置在所述N11平面的平行面上，并设置在所述动体的匹配位置，以使预定轨迹线被配置在所述N11平面的平行面上的所述用于测量旋转角的模块对应的旋转角第一测量区在所述N11平面上接续形成旋转角第三测量区，并能够用于测量所述N03平面在N11平面维度上的倾角；

其中至少一组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线被配置在所述N12平面的平行面上，并设置在所述动体的匹配位置，以使预定轨迹线被配置在所述N12平面的平行面上的所述用于测量旋转角的模块对应的旋转角第一测量区在所述N12平面上接续形成旋转角第四测量区，并能够用于测量所述N03平面在N12平面维度上的倾角。

2.如权利要求1所述的用于测量平面倾角的设备，其特征在于，所述动体在所述N01平面内相对于所述P01点的最大旋转角≤180°。

3.如权利要求1所述的用于测量平面倾角的设备，其特征在于，所述预定轨迹线属于圆周线、椭圆线、抛物线或双曲线的一部分。

4.如权利要求1所述的用于测量平面倾角的设备，其特征在于，所述活动子位置测量单元包括波发射器和波接收器，所述活动子导向器包括导管，所述导管是波传导管，所述活动子设有波反射层，所述导管与所述活动子配合，以使所述波发射器发出的波束经所述波反射层反射后能够被所述波接收器接收。

5.如权利要求4所述的用于测量平面倾角的设备，其特征在于，所述波发射器与所述导管之间设有波传导件，所述波发射器发出的波束在所述波传导件与所述导管的连接面处反射形成第一反射波束，所述波发射器发出的波束在所述活动子的波反射层处反射形成第二反射波束，所述波接收器用于接收所述第一反射波束和所述第二反射波束。

6.如权利要求4所述的用于测量平面倾角的设备，其特征在于，所述波发射器能够发出光波，所述导管是光传导管，所述活动子设有光反射层，所述波接收器是光接收器；或者，所述波发射器能够发出声波，所述导管是声波传导管，所述活动子具有声波反射层，所述波接收器是声波接收器；或者，所述波发射器能够发出电磁波，所述导管是电磁波传导管，所述活动子具有电磁波反射层，所述波接收器是电磁波接收器。

说明书

用于测量平面倾角的设备

技术领域

[0001] 本发明涉及倾角检测技术领域，具体涉及一种用于测量平面倾角的设备。

背景技术

[0002] 角度计量是几何量计量的重要组成部分。角度量的范围广，平面角按平面所在的空间位置可分为：在水平面内的水平角(或称方位角)，在垂直面内的垂直角(或倾斜角)，空
间角是水平角和垂直角的合成。倾角传感器又称作倾斜仪、测斜仪、水平仪、倾角计，经常用
于测量系统的角度。

[0003] 在电力电网应用场景中，电磁干扰大，采用光纤类传感器是较好的选择。光纤类传感器具有体积小，传输距离远，抗电磁干扰性能优的特点。目前，已存在用于测量倾角的光
纤型倾角传感器。

[0004] 专利文献CN204740023U记载了一种双锥形光纤倾角传感器，包括第一光纤锥、第二光纤锥和一光纤，第一光纤锥的一端被固定，第一光纤锥的另一端连接光纤的一端，光纤
的另一端连接第二光纤锥的一端，第二光纤锥的另一端被固定。它在倾斜一定角度时，光纤
压缩或拉伸两侧的光纤锥，通过锥形区的应变矢量、光纤倾角传感器的倾斜角和干涉谱的
频移换算公式，可以得到倾斜角。

发明内容

[0005] 本发明的发明目的之一是提供一种用于测量旋转角的模块、设备及其使用方法，以提供一种新的测量平面内旋转角的技术路线。

[0006] 为解决上述技术问题，可以根据需要选用如下技术方案：

[0007] 一种用于测量旋转角的模块，设其使用过程中在N01平面内相对于所述N01平面内的 P01点旋转，经所述P01点虚设N02垂面，包括低点找平机构和活动子位置测量单元，所述
低点找平机构包括活动子和活动子导向器，使用过程中，所述活动子能够在所述活动子导
向器限定的预定轨迹线上活动，所述预定轨迹线在所述N02垂面内的第一投影曲线属于全
凸闭合曲线的一部分，且所述N01平面上的任一法线与所述预定轨迹线有至多一个交点，所
述P01点对应设置在所述第一投影曲线的凹侧；所述活动子位置测量单元用于测量所述活
动子在所述预定轨迹线上的位置，或者用于测量所述活动子在所述N01平面上的投影位置。
为使该用于测量旋转角的模块处于有效使用状态，所述N01平面与所述N02垂面的夹角＜
90°，且所述活动子不受所述活动子导向器两端的支撑，受重力作用，活动子相对于P01点静
止时，活动子的重力势能最小，活动子必然位于第一投影曲线的最低点，低点找平机构的低
点找平功能是有效的；同时，活动子位于预定轨迹线上的某一点。一般的，该用于测量旋转
角的模块处于有效使用期间内，若第一投影曲线上的所有点均不高于经所述 P01点确定的
水平面，用于测量旋转角的模块的测量结果理论上总是有效的；若第一投影曲线上的某些
点高于经所述P01点确定的水平面，某些特殊情况下，所述活动子可能受活动子导向器其中
一端的支撑，但在不借助其它手段的情况下，使用者并不能发现此时用于测量旋转角的模
块已经脱离有效使用状态。

[0008] 优选的，所述活动子导向器包括导管和两个限位堵头，所述活动子设置在所述导管及两个限位堵头配合形成的活动空间内。

[0009] 进一步的，所述活动子的形状是圆球形，在所述活动子上设有球面形的波反射层，所述波反射层的球心与所述活动子的球心重合；或者，所述活动子的形状是圆球形，所述活
动子的球面能够形成波反射层的波反射面。

[0010] 优选的，所述N01平面与所述N02垂面重合。这样能降低使用难度。

[0011] 进一步的，所述预定轨迹线的两端与经所述P01点确定的水平面相交。这样在用于测量旋转角的模块处于有效使用期间内，用于测量旋转角的模块可有效测量≥‑90°且≤
90°的旋转角。

[0012] 优选的，所述预定轨迹线为平面曲线。这样能降低使用难度，并扩大其可应用范围。

[0013] 进一步的，所述预定轨迹线为平行于所述N01平面设置的平面曲线。

[0014] 优选的，所述预定轨迹线属于圆周线、椭圆线、抛物线或双曲线的一部分。

[0015] 优选的，所述活动子位置测量单元包括波发射器和波接收器，所述活动子导向器包括导管，所述导管是波传导管，所述活动子设有波反射层，所述导管与所述活动子配合，
以使所述波发射器发出的波束经所述波反射层反射后能够被所述波接收器接收。

[0016] 进一步的，所述波发射器与所述导管之间设有波传导件，所述波发射器发出的波束在所述波传导件与所述导管的连接面处反射形成第一反射波束，所述波发射器发出的波
束在所述活动子的波反射层处反射形成第二反射波束，所述波接收器用于接收所述第一反
射波束和所述第二反射波束。

[0017] 进一步的，所述波发射器能够发出光波，所述导管是光传导管，所述活动子设有光反射层，所述波接收器是光接收器；或者，所述波发射器能够发出声波，所述导管是声波传
导管，所述活动子具有声波反射层，所述波接收器是声波接收器；或者，所述波发射器能够
发出电磁波，所述导管是电磁波传导管，所述活动子具有电磁波反射层，所述波接收器是电
磁波接收器。

[0018] 一种用于测量旋转角的设备，包括动体和前述的用于测量旋转角的模块；所述动体能够在N01平面内相对于所述N01平面内的P01点旋转，且所述动体在所述N01平面内相对
于所述P01点的最大旋转角＜360°，经所述P01点虚设N02垂面，所述N01平面与所述 N02垂
面的夹角＜90°；所述活动子导向器与所述动体保持相对静止设置，所述预定轨迹线在所述
N01平面内的第二投影曲线围绕所述P01点形成旋转角第一测量区，所述旋转角第一测量区
的圆心角≥所述最大旋转角，并使所述动体在所述N01平面内相对于所述P01 点的旋转期
间，在所述活动子相对于所述P01点静止时，所述用于测量旋转角的模块的低点找平机构具
有低点找平效果。

[0019] 优选的，所述动体在所述N01平面内相对于所述P01点的最大旋转角≤180°。

[0020] 前述的用于测量旋转角的设备的使用方法，包括以下步骤：

[0021] 所述动体在第一静止位置且所述活动子相对于所述P01点静止时，设所述活动子位于所述预定轨迹线上的D1点，所述动体在第二静止位置且所述活动子相对于所述P01点
静止时，设所述活动子位于所述预定轨迹线的D2点，使用所述活动子位置测量单元等效测
量所述D1点和/或所述D2点在所述预定轨迹线上的位置，或者，使用所述活动子位置测量单
元等效测量所述预定轨迹线的D1点和/或所述D2点在所述N01平面上的投影位置。

[0022] 其中，等效测量指根据确定的换算方法或计算方法，利用数学方法对测得的第一组物理量进行换算或计算，可以得到唯一对应的第二组物理量，则认为测量第一组物理量
等同于测量第二组物理量。在本发明方法中，活动子导向器与动体保持相对静止设置，动体
在 N01平面内相对于P01点旋转时，活动子导向器及其限定的预定轨迹线也与动体同步旋
转。由于活动子能够在活动子导向器限定的预定轨迹线上活动，在重力作用下，当动体在第
一位置时，活动子在N02垂面上的投影点位于此时的预定轨迹线在N02垂面上的第一投影曲
线的最低点；当动体在第二位置时，活动子在N02垂面上的投影点位于此时的预定轨迹线在
N02垂面上的第一投影曲线的最低点。故而，在获得预定轨迹线的D1点和D2点之间的长度
后，结合预定轨迹线的曲线公式，可以得到动体在第二位置时，预定轨迹线上的D1 点、D2点
在N01平面内的投影位置D1′、D2′，再结合N01平面内的P01点位置，可以确定 D1′、D2′分别
与P01点连线形成的旋转角，该旋转角即对应于动体在N01平面内相对于P01 点的旋转角。

[0023] 优选的，所述活动子位置测量单元包括波发射器和波接收器，所述活动子导向器包括导管，所述导管是波传导管，所述活动子设有波反射层，所述导管与所述活动子配合，
以使所述波发射器发出的波束经所述波反射层反射后能够被所述波接收器接收；使用活动
子位置测量单元等效测量所述预定轨迹线的D1点和D2点之间的长度的方法包括：

[0024] 所述动体在第一位置时，测量所述波发射器发出的波束经所述波反射面反射后被所述光接收器接收的时差t1，所述动体在第二位置时，测量所述波发射器发出的波束经所
述波反射面反射后被所述波接收器接收的时差t2，预定轨迹线的D1点和D2点之间的长度＝ 
0.5v(t2‑t1)cosα,v为波在波传导管内的传输速度，α为所述波传导管内的波束与管线的入
射夹角。

[0025] 优选的，所述活动子位置测量单元包括波发射器和波接收器，所述活动子导向器包括导管，所述导管是波传导管，所述波发射器与所述导管之间设有波传导件，所述活动子
设有波反射层，所述波传导件、导管与所述活动子配合，以使所述波发射器发出的波束经所
述波反射层反射后能够被所述波接收器接收；所述波发射器发出的波束在所述波传导件与
所述导管的连接面处反射形成第一反射波束，所述波发射器发出的波束在所述活动子的波
反射层处反射形成第二反射波束，所述波接收器用于接收所述第一反射波束和所述第二反
射波束，使用活动子位置测量单元等效测量活动子在预定轨迹线上的位置的方法包括：

[0026] 测量所述第二反射波束与所述第一反射波束的相位差ψ，则所述波传导件与所述活动子之间的预定轨迹线段长度＝0.5vψTcosα,v为波在波传导管内的传输速度，T为波束
的周期，α为在所述波传导管内的波束与管线的入射夹角,结合预定轨迹线的曲线公式，获
得活动子在预定轨迹线上的位置。

[0027] 本发明的有益效果是：

[0028] 1.本发明用于测量旋转角的模块中，预定轨迹线在N02垂面内的第一投影曲线属于凸闭合曲线的一部分，这样，在活动子导向器及其确定的预定轨迹线相对于P01点转动
时，除活动子受活动子导向器两端支撑限位外，相对于P01点静止的活动子受重力作用总能
停留在此时的预定轨迹线的最低点。

[0029] 2.由于光纤通讯的技术较为成熟，与声波技术(尤其是超声波技术)、电磁波技术测量预定轨迹线的D2点与D1点之间的长度相比，选择导管为光传导管，活动子设有光反射
层，通过光发射器和光接收器测量预定轨迹线的D2点与D1点之间的长度实现成本更低。

[0030] 3.本发明的用于测量旋转角的设备中，通过设置动体和用于测量旋转角的模块的相对位置，使在动体在N01平面内相对于P01点旋转区域内，用于测量旋转角的模块总处于
旋转角的有效测量区间，从而能够实现对动体在N01平面内相对于P01点的旋转角的测量。

[0031] 4.本发明的用于测量旋转角的设备的使用方法中，测量第二反射波束与第一反射波束的相位差ψ应用成本低，准确度高。

[0032] 本发明的发明目的之二是提供一种用于测量旋转角的装置、设备及其使用方法，以提供一种新的测量平面内旋转角的技术路线。

[0033] 为解决上述技术问题，可以根据需要选用如下技术方案：

[0034] 一种用于测量旋转角的装置，设其使用状态时在N01平面内相对于所述N01平面内的 P01点旋转，经所述P01点虚设N02垂面，包括保持相对静止设置的至少两组前述的用于
测量旋转角的模块；每一组用于测量旋转角的模块对应的预定轨迹线在所述N01平面上的
第二投影曲线围绕所述P01点形成旋转角第一测量区，该些组用于测量旋转角的模块对应
的旋转角第一测量区在所述N01平面上接续形成旋转角第二测量区。

[0035] 优选的，所述旋转角第二测量区的圆心角＞180°且≤360°。

[0036] 优选的，所述预定轨迹线为平面曲线。

[0037] 进一步的，所述预定轨迹线所在的平面与所述N01平面相平行设置。

[0038] 优选的，所述N01平面与所述N02垂面重合。

[0039] 优选的，在所述N01平面上，每一组用于测量旋转角的模块形成的所述旋转角第一测量区的圆心角≤180°。

[0040] 一种用于测量旋转角的设备，包括动体和前述的用于测量旋转角的装置；所述动体能够在N01平面内相对于所述N01平面内的P01点旋转，且所述动体在所述N01平面内相对
于所述P01点的最大旋转角≤360°，经所述P01点虚设N02垂面，所述N01平面与所述 N02垂
面的夹角＜90°；每一组所述用于测量旋转角的模块的所述活动子导向器与所述动体保持
相对静止设置，所述旋转角第二测量区的圆心角≥所述最大旋转角，并使所述动体在所述
N01平面内相对于所述P01点的旋转期间，在所有的所述活动子均相对于所述P01 点静止
时，至少一组所述用于测量旋转角的模块的低点找平机构具有低点找平效果。

[0041] 一种前述的用于测量旋转角的设备的使用方法，包括以下步骤：

[0042] 所述动体在静止位置且所有的所述活动子均相对于所述P01点静止时，测量每一组用于测量旋转角的模块的活动子在其匹配的预定轨迹线上的位置；

[0043] 若其中一组测量旋转角的模块的活动子未处于其匹配的预定轨迹线的两端，则该组用于测量旋转角的模块的活动子在预定轨迹线上的位置为有效点；

[0044] 若至少两组测量旋转角的模块的活动子在所述N02垂面上的投影在经所述P01点的垂线上，则取该些组的其中一组用于测量旋转角的模块的活动子在对应的预定轨迹线上
的位置为有效点。

[0045] 进一步的，所述动体在第一静止位置且所有的所述活动子均相对于所述P01点静止时，获取该状态的第一有效点、第一有效点在所有的用于测量旋转角的模块确定的预定
轨迹线上的位置；所述动体在第二静止位置且所有的所述活动子均相对于所述P01点静止
时，获取该状态的第二有效点、第二有效点在所有的用于测量旋转角的模块确定的预定轨
迹线上的位置；所有的用于测量旋转角的模块确定的预定轨迹线及第一有效点、第二有效
点投影于所述N01平面上，以P01点为起点经第一有效点在N01平面上的投影点形成第一标
定射线，以P01点为起点经第二有效点在N01平面上的投影点形成第二标定射线，所述动体
从第一静止位置旋转到第二静止位置在所述N01平面内绕P01点的旋转角对应于从所述第
一标定射线旋转到所述第二标定射线的旋转角。

[0046] 本发明的有益效果包括：

[0047] 1.本发明的用于测量旋转角的装置可以用于测量旋转角＞180°且≤360°，且在其测量区间内，即使动体急剧变向，也不会因活动子卡在活动子导向器其中一端造成设备失
效。

[0048] 2.本发明的用于测量旋转角的装置的预定轨迹线为平面曲线、预定轨迹线所在的平面与N01平面相平行设置、N01平面与所述N02垂面重合等特征单独或组合使用均有助于
降低使用本发明装置过程的计算量。

[0049] 3.本发明的用于测量旋转角的设备限定了动体与用于测量旋转角的装置的相对位置关系，配合其使用方法，在其测量区间内，即使动体急剧变向，也不会因活动子卡在活
动子导向器其中一端造成设备失效。

[0050] 本发明的发明目的之三是提供一种用于测量平面倾角的设备，以提供一种新的测量平面倾角的技术路线。

[0051] 为解决上述技术问题，可以根据需要选用如下技术方案：

[0052] 一种用于测量平面倾角的设备，包括动体和至少两组前述的用于测量旋转角的模块；所述动体的N03平面能够相对于P01点倾斜，经所述P01点虚设N01平面、N02垂面、N11 平
面和N12平面，所述N01平面与所述N02垂面的夹角＜90°,所述N11平面和所述N12 平面均为
非水平面且相互垂直设置；在每一组用于测量旋转角的模块中，所述活动子导向器与所述
动体保持相对静止设置，所述预定轨迹线为平行于所述N01平面设置的平面曲线，每一组用
于测量旋转角的模块对应的预定轨迹线在所述N01平面上的第二投影曲线围绕所述P01点
形成旋转角第一测量区；其中至少一组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线被配置在所述
N11平面的平行面上，并设置在所述动体的匹配位置，以使该些组用于测量旋转角的模块对
应的旋转角第一测量区在所述N11平面上接续形成旋转角第三测量区，并能够用于测量所
述N03平面在其中一个维度上的倾角；其中至少一组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线
被配置在所述N12平面的平行面上，并设置在所述动体的匹配位置，以使该些组用于测量旋
转角的模块对应的旋转角第一测量区在所述N12平面上接续形成旋转角第四测量区，并能
够用于测量所述N03平面在另一个维度上的倾角。

[0053] 优选的，所述N11平面与所述N12平面均为垂面。

[0054] 本发明的有益效果包括：

[0055] 1.通过设置至少两组前述的用于测量旋转角的模块与动体的相互位置关系，本发明的用于测量平面倾角的设备可以用于测量N03平面相对于P01点的倾斜角。

[0056] 2.通过设置N11平面和N12平面为垂面，预定轨迹线被配置在平行于N11平面的至少一组用于测量旋转角的模块用于测量N03平面在N11平面维度上的倾角，预定轨迹线被配
置在平行于N12平面的至少一组用于测量旋转角的模块用于测量N03平面在N12平面维度上
的倾角。

[0057] 本发明的发明目的之四是提供一种用于测量三维倾角的设备，以提供一种新的测量三维倾角的技术路线。

[0058] 为解决上述技术问题，可以根据需要选用如下技术方案：

[0059] 一种用于测量三维倾角的设备，包括动体和至少三组前述的用于测量旋转角的模块；所述动体的P11点能够围绕P01点旋转，但所述动体的P11点不在水平面内转动，经所述 
P01点虚设N01平面、N02垂面、N11平面和N12平面，所述N01平面与所述N02垂面的夹角＜
90°,所述N11平面和所述N12平面均为非水平面且相互垂直设置；在每一组用于测量旋转角
的模块中，所述活动子导向器与所述动体保持相对静止设置，所述预定轨迹线为平行于所
述N01平面设置的平面曲线，每一组用于测量旋转角的模块对应的预定轨迹线在所述N01平
面上的第二投影曲线围绕所述P01点形成旋转角第一测量区；其中至少两组用于测量旋转
角的模块的预定轨迹线被配置在所述N11平面的平行面上，并设置在所述动体的匹配位置，
以使该些组用于测量旋转角的模块对应的旋转角第一测量区在所述N11平面上接续形成旋
转角第三测量区，并能够用于测量所述P11点在其中一个垂面维度上的倾角，所述旋转角第
三测量区的圆心角＞180°且≤360°；其中至少一组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线被
配置在所述N12平面的平行面上，并设置在所述动体的匹配位置，以使该些组用于测量旋转
角的模块对应的旋转角第一测量区在所述N12平面上接续形成旋转角第四测量区，并能够
用于测量所述P11点在另一个垂面维度上的倾角。

[0060] 优选的，包括至少四组前述的用于测量旋转角的模块；其中至少两组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线被配置在所述N11平面的平行面上，并设置在所述动体的匹配位
置，以使该些组用于测量旋转角的模块对应的旋转角第一测量区在所述N11平面上接续形
成旋转角第三测量区，并能够用于测量所述P11点在其中一个垂面维度上的倾角，所述旋转
角第三测量区的圆心角＞180°且≤360°；其中至少两组用于测量旋转角的模块的预定轨迹
线被配置在所述N12平面的平行面上，并设置在所述动体的匹配位置，以使该些组用于测量
旋转角的模块对应的旋转角第一测量区在所述N12平面上接续形成旋转角第四测量区，并
能够用于测量所述P11点在另一个垂面维度上的倾角，所述旋转角第四测量区的圆心角＞
180°且≤360°。

[0061] 优选的，所述N11平面与所述N12平面均为垂面。

[0062] 本发明的有益效果包括：

[0063] 1.通过设置至少三组前述的用于测量旋转角的模块与动体的相互位置关系，本发明的用于测量平面倾角的设备可以用于测量动体的P11点围绕P01点旋转时，除动体的P11
点在水平面内转动外的旋转角。

[0064] 2.通过设置N11平面和N12平面为垂面，预定轨迹线被配置在平行于N11平面的至少两组用于测量旋转角的模块用于测量P11点在N11平面维度上相对于P01点的旋转角，预
定轨迹线被配置在平行于N12平面的至少一组用于测量旋转角的模块用于测量P11点在 
N12平面维度上相对于P01点的旋转角。

附图说明

[0065] 图1为本发明一种用于测量旋转角的模块的示意图。

[0066] 图2为本发明一种用于测量旋转角的模块的低点找平机构的剖面图。

[0067] 图3为本发明一种用于测量旋转角的装置的低点找平机构的使用状态参考图。

[0068] 图4为本发明一种用于测量旋转角的装置的俯视图。

[0069] 图5为图4的左视图。

[0070] 图6为本发明一种用于测量平面倾角的设备的主视图。

[0071] 图7为图6的右视图。

[0072] 图8为图6的俯视图。

[0073] 图9为本发明一种用于测量三维倾角的设备的俯视图。

[0074] 图10为图9的左视图。

[0075] 图11为本发明一种用于测量三维倾角的设备的俯视图。

[0076] 图12为图11的左视图。

[0077] 附图标记说明，10‑导管，101‑管壁，102‑管道，11‑活动子，12‑限位堵头，13‑限位堵头，14‑波发射器，15‑波接收器，16‑波耦合器，2‑第一用于测量倾角的模块，3‑第一用于
测量倾角的模块，4‑第一用于测量倾角的模块，5‑第一用于测量倾角的模块。

具体实施方式

[0078] 下面结合附图，以实施例的形式说明本发明，以辅助本技术领域的技术人员理解和实现本发明。除另有说明外，不应脱离本技术领域的技术知识背景理解以下的实施例及
其中的技术术语。

[0079] 本发明的第一部分

[0080] 本发明的一种用于测量旋转角的模块，设其使用过程中在N01平面内相对于N01平面内的P01点旋转，经P01点虚设N02垂面。正常使用状态下，N01平面与N02垂面的夹角＜
90°。如本领域技术人员容易想到的，用于测量旋转角的模块也可以应用在具有非垂直转轴
的环境中，此时取非垂直转轴上的一点就可以对应于P01点，经P01点且垂直于非垂直转轴
的平面对应于N01平面。

[0081] 本发明的一种用于测量旋转角的模块包括低点找平机构和活动子位置测量单元。

[0082] 低点找平机构包括活动子和活动子导向器。活动子导向器选择这样的结构：使用过程中，活动子能够在活动子导向器限定的预定轨迹线上活动，预定轨迹线在N02垂面内的
第一投影曲线属于全凸闭合曲线的一部分，且N01平面上的任一法线与预定轨迹线有至多
一个交点，P01点对应设置在第一投影曲线的凹侧。

[0083] 其中，N02垂面是为了限定预定轨迹线的形状，只要预定轨迹线在经P01点确定的某一个垂面内的第一投影曲线属于全凸闭合曲线的一部分，此时就可以确定在用于测量旋
转角的模块在相对于P01点旋转时，若相对于P01点静止的活动子未处于预定轨迹线的两端
位置，此时的活动子就能够落在预定轨迹线的最低点。N02垂面的虚设方法、对应的垂面并
不影响本发明的实现。一种简单的虚设N02垂面的方法是：先确定N01平面内的经 P01点的
水平线，N02垂面为经过该水平线的垂面。

[0084] 其中，活动子可以设成柱体、球体，活动子导向器可以是容器，也可以是穿杆。经试验，活动子导向器选择容器，活动子选择球体，且活动子设置在活动子导向器内腔时，活动
子在活动子导向器内腔活动受到的阻力及外部干扰小，低点找平机构的低点找平效果好。
在活动子在活动活动子导向器上或内腔中活动时，预定轨迹线的变形会导致测量误差，所
以活动子在预定轨迹线上活动时，活动子导向器的变形越小越好，这样预定轨迹线的变形
导致的测量误差越小。

[0085] 其中，活动子并非必须是固体，比如活动子可以是不浸润液体，例如相对于玻璃，水银就属于不浸润液体，水银在玻璃管中还能形成波反射层。不浸润指固体与液体接触时，
接触面趋于缩小、液体不能附着在固体上的现象。

[0086] 其中，若动体仅在N01平面内围绕P01点转动时，预定轨迹线可以是平面曲线，也可以是三维空间内的曲线，只要预定轨迹线在N02垂面内的第一投影曲线属于全凸闭合曲线
的一部分，且N01平面上的任一法线与预定轨迹线有至多一个交点就可以了。使用时，P01 
点设置在第一投影曲线的凹侧。活动子导向器及其确定的预定轨迹线旋转到新的位置且活
动子相对于P01点静止时，只要活动子导向器两端不对活动子产生有效支撑，受重力作用，
活动子在N02垂面上的投影点必然位于此时的第一投影曲线的最低点。此时，低点找平机构
的低点找平功能是有效的。同时，“N01平面上的任一法线与预定轨迹线有至多一个交点”保
证了预定轨迹线上的同一高度处的活动子在N01平面上的投影仅有一个唯一对应的点。

[0087] 其中，若动体在相互垂直的N01平面和N04平面两个维度内相对于P01点转动，且N01 平面、N04平面均为非水平面时，预定轨迹线应选择平面曲线，预定轨迹线在N02垂面内
的第一投影曲线属于全凸闭合曲线的一部分；使用时，P01点设置在第一投影曲线的凹侧。
活动子导向器及其确定的预定轨迹线旋转到新的位置且活动子相对于P01点静止时，只要
活动子导向器两端不对活动子产生有效支撑，该位置处的活动子重力势能最低，活动子在
匹配对应维度的N02垂面上的投影点必然位于该维度的第一投影曲线的最低点。此时，低点
找平机构的低点找平功能是有效的。

[0088] 其中，活动子位置测量单元用于测量活动子在预定轨迹线上的位置，或者用于测量活动子在N01平面上的投影位置。使用时，在低点找平机构的低点找平功能有效的第一位
置，活动子位置测量单元测量活动子在预定轨迹线上的D1点位置；在低点找平机构的低点
找平功能有效的第二位置，活动子位置测量单元测量活动子在预定轨迹线上的D2点位置；
结合预定轨迹线的二维曲线公式或三维曲线公式，以及预定轨迹线与P01点相对位置关系、
N01 平面与N02垂面的夹角，可以将预定轨迹线上的D1点、D2点分别投影到N01平面上的D1 
′、D2′，则动体在N001平面内相对于P01点的旋转角就是从射线P01D1′旋转到射线P01D2  ′
的旋转角。

[0089] 若活动子用于测量活动子在N01平面上的投影位置，则需要结合预定轨迹线的二维曲线公式或三维曲线公式，以及预定轨迹线与P01点相对位置关系、N01平面与N02垂面的
夹角，将活动子在N02垂面上的投影位置换算为活动子在预定轨迹线上的点，然后结合上述
方法就可以计算得到动体在N01平面内相对于P01点的旋转角。现有的投影方式包括显影
纸，显影纸可以固定在活动子导向器上。

[0090] 实施例1：一种用于测量旋转角的模块，设其使用过程中在N01平面内相对于N01平面内的P01点旋转，经P01点虚设N02垂面，参见图1‑3，包括低点找平机构和活动子位置测量
单元，低点找平机构包括活动子11和活动子导向器。

[0091] 活动子导向器选择这样的结构：使用过程中，活动子11能够在活动子导向器限定的预定轨迹线上活动。预定轨迹线在N02垂面内的第一投影曲线属于全凸闭合曲线的一部
分，且N01平面上的任一法线与预定轨迹线有至多一个交点，P01点对应设置在第一投影曲
线的凹侧。一般的，可以在导管10的两端设置两个限位堵头，比如图2‑3中的限位堵头12 和
限位堵头13，限位堵头12、限位堵头13和导管10配合形成活动子导向器，活动子11 设置在
活动子导向器的内腔中。本实施例中，活动子11选择球体，活动子11的球径要小于导管10的
内径，这样，固定导管10的形状后，活动子11受导管10的管壁101支撑，活动子在限位堵头
12、导管10和限位堵头13限定的空间内活动时，其活动轨迹线就对应于预定轨迹线。

[0092] 活动子位置测量单元用于测量活动子11在预定轨迹线上的位置，或者用于测量所述活动子在N01平面上的投影位置。本实施例中，活动子位置测量单元包括波发射器14和波
接收器15，活动子导向器包括导管10，导管10是波传导管，活动子11设有波反射层，导管 10
与活动子11配合，以使波发射器14发出的波束经活动子11的波反射层反射后能够被波接收
器15接收。一般的，波传导管内，波传播时损失的能量越少越好。比如光传导管中，光在其内
发生全反射传播的效果最好。

[0093] 应当明白，波发射器14、波接收器15、波耦合器16均为实物，其也具有限位作用，所以可以代替一个限位堵头。

[0094] 为使波发射器14发出的波束能够被活动子11的波反射层反射，波反射层形成的波反射截面最好略小于导管10的管道102的截面。本实施例中，在活动子上设有球面形的波反
射层，波反射层的球心与活动子的球心重合，此时，波反射层的球径最好略小于导管10 的
内径。在其它实施例中，通过选择活动子的制作材料，使活动子的球面能够形成波反射层的
波反射面也是可以的，此时，活动子11的球面最好略小于导管10的内径。

[0095] 一般的，波发射器14可以发出光波、电磁波、声波(含超声波)等。如果选择能够发出光波的波发射器，导管是光传导管，活动子设有光反射层，波接收器是光接收器；如果选
择能够发出电磁波的波发射器，导管是电磁波传导管，活动子具有电磁波反射层，波接收器
是电磁波接收器；如果选择能够发出声波(超声波)的波发射器，所述导管是声波传导管，所
述活动子具有声波反射层，所述波接收器是声波接收器。

[0096] 本实施例中，波发射器选择能够发出光束的光发射器。常见的光传导件有光纤，特定角度的光束可以在光纤内发生光的全反射，从而实现光束在光纤内的传导。一般的，光纤
包括内纤芯、中包层和外涂覆层，中包层用于将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯
的作用。也就是说，中包层的材料就能够制作光反射层，中包层形成的管就是一种光传导
管。在具体应用中，光发射器通过光纤与光耦合器连接，光接收器通过光纤与光耦合器连
接，光耦合器与光传导管连接。

[0097] 本实施例中，预定轨迹线最好属于圆周线、椭圆线、抛物线或双曲线的一部分，这样较易确定预定轨迹线的函数公式。

[0098] 实施例2：一种用于测量旋转角的模块，包括低点找平机构和活动子位置测量单元。作为对实施例1的改进，本实施例附加了以下特征：

[0099] 波发射器14与导管10之间设有波传导件，波发射器14发出的波束在波传导件与导管 10的连接面处反射形成第一反射波束，波发射器14发出的波束在活动子11的波反射层
处反射形成第二反射波束，波接收器15用于接收第一反射波束和所述第二反射波束。

[0100] 同样以波发射器14选择光发射器为例，波传导件可以选择光传导件，比如光纤。光耦合器与导管10之间设置光纤过渡，此时，该光纤的中包层需要与光传导管对位连接，使光
纤的内纤芯的截面与光传导管的管孔截面对齐。现有技术中，光纤与光纤的连接方式为熔
接。

[0101] 本发明的第二部分

[0102] 一种用于测量旋转角的设备，包括动体和本发明的第一部分的用于测量旋转角的模块。

[0103] 动体能够在N01平面内相对于N01平面内的P01点旋转，经P01点虚设N02垂面，N01 平面与N02垂面的夹角＜90°。

[0104] 其中，N02垂面是为了限定预定轨迹线的形状，只要预定轨迹线在经P01点确定的某一个垂面内的第一投影曲线属于全凸闭合曲线的一部分，此时就可以确定在用于测量旋
转角的模块在相对于P01点旋转时，若相对于P01点静止的活动子未处于预定轨迹线的两端
位置，此时的活动子就能够落在预定轨迹线的最低点。N02垂面的虚设方法、对应的垂面并
不影响本发明的实现。一种简单的虚设N02垂面的方法是：先确定N01平面内的经 P01点的
水平线，N02垂面为经过该水平线的垂面。

[0105] 活动子导向器与动体保持相对静止设置，预定轨迹线在N01平面内的第二投影曲线围绕P01点形成旋转角第一测量区，旋转角第一测量区的圆心角≥最大旋转角，并使动体
在 N01平面内相对于P01点的旋转期间，在活动子相对于P01点静止时，用于测量旋转角的
模块的低点找平机构具有低点找平效果。

[0106] 一般的，将活动子导向器与动体固定连接就可以保持活动子导向器与动体的相对静止。此外，活动子导向器也可以是动体的具有相应功能的某一结构形成的，此时，活动子
导向器与动体也是相对静止的。

[0107] 旋转角测量区指以P01点为起点，分别经预定轨迹线在N01平面内的第二投影曲线的两端点作出两条射线，且该第二投影曲线位于该两条射线所夹的区域内的那块区域为旋
转角测量区。第一、第二，及后续的第三、第四仅用于区分不同的区域。

[0108] 动体在N01平面内相对于P01点的旋转期间，活动子有多种状态，其中一种是在离心力作用受活动子导向器两端的支撑，此时动体会带动活动子导向器、活动子运动，活动子
不能相对于P01点静止；又一种是动体停止转动，此时离心力消失，活动子受重力作用寻找
预定轨迹线上的一点，在这一点，活动子可能受活动子导向器两端的支撑，此时可以认为低
点找平机构的低点找平功能失效，如果在这一点，活动子不受活动子导向器两端的支撑，可
以认定活动子在N02垂面上的投影点位于此时的第一投影曲线上的最低点，也就是低点找
平机构的低点找平功能有效，具有低点找平效果。

[0109] 通过活动子位置测量单元测量活动子的位置时，若活动子的位置在一段时间内无变化，则可以认为活动子相对于P01点静止。若活动子的位置并未处于预定轨迹线的两端，
可以认为活动子导向器的两端未对活动子形成支撑。若活动子的位置处于预定轨迹线的两
端，此时需要根据情况具体分析。比如动体在N01平面内相对于P01点的最大旋转角为β。通
过恰当设置活动子导向器与动体的相对位置关系，使动体在N01平面内绕P01点旋转到极限
位置时，活动子位于预定轨迹线的端点处，但此时活动子导向器的两端并未对活动子产生
支撑作用，这种情况下，设备的设置参数可以辅助本领域技术人员判断活动子的位置处于
预定轨迹线其中一端时，低点找平机构的低点找平效果是否有效。

[0110] 若动体在N01平面内相对于P01点的最大旋转角＞180°且＜360°，通过选择活动子导向器的规格，使预定轨迹线在N01平面的第二投影曲线绕P01点形成的圆心角＞180°也能
在某些情况下实现测量动体的旋转角。但是若动体运动较为剧烈，方向改变较快，则活动子
可能会因惯性作用卡在活动子导向器的其中一端，同时失去低点找平效果。

[0111] 若动体在N01平面内相对于P01点的最大旋转角＝180°(＜180°也是适用的)，活动子导向器与动体的相对位置关系可以这样设置，通过选择活动子导向器的规格，使预定轨
迹线在N01平面的第二投影曲线绕P01点形成的圆心角＝180°，且动体在N01平面内绕 P01
点旋转的左侧极限位置处，使第一投影曲线的右侧端点位于P01点正下方。这样在动体在
N01平面内绕P01点向右侧旋转到右侧极限位置处时，同步带动活动子导向器及预定轨迹线
向右侧旋转到右侧极限位置，在活动子相对于P01点静止时，活动子在第一投影曲线的左侧
端点处，同时也位于P01点的正下方。

[0112] 前述说明的动体能够在N01平面内能够绕P01点旋转。在某些特殊情景下，比如动体在不属于水平面的N01平面内相对于P01点转动，转动轴不与垂线重合，此时，可以取转动
轴上的一点形成P01点。N01平面也可以不与垂面重合，在动体与活动子导向器的相对位置
关系确定后，P01点、N01平面与N02垂面的夹角、活动子在N01平面上的投影点与此时的预定
轨迹线在N01平面内的第二投影曲线的相对位置都是可以唯一确定的。

[0113] 实施例3：一种用于测量旋转角的设备，包括动体和本发明的实施例1中的用于测量旋转角的模块。

[0114] 动体能够在N01平面内相对于N01平面内的P01点旋转，且动体在N01平面内相对于 P01点的最大旋转角≤180°，经P01点虚设N02垂面，N01平面与N02垂面的夹角＜90°。

[0115] 活动子导向器与动体固定连接，预定轨迹线在N01平面内的第二投影曲线围绕P01点形成旋转角第一测量区，旋转角第一测量区的圆心角≥最大旋转角，并使动体在N01平面
内相对于P01点的旋转期间，在活动子相对于P01点静止时，用于测量旋转角的模块的低点
找平机构具有低点找平效果。为实现这样的效果，活动子导向器与动体的相对位置关系这
样设置：动体在N01平面内绕P01点旋转的左侧极限位置处，使第一投影曲线的右侧端点位
于P01点正下方。这样在动体在N01平面内绕P01点向右侧旋转到右侧极限位置处时，同步带
动活动子导向器及预定轨迹线向右侧旋转到右侧极限位置，在活动子相对于P01点静止时，
活动子位于P01点的正下方，仍在第一投影曲线的最低点处。

[0116] 该用于测量旋转角的设备的使用方法，包括以下步骤：

[0117] 动体、活动子导向器及其限定的预定轨迹线停留在第一静止位置，且活动子相对于P01 点静止时，由于活动子能够在活动子导向器限定的预定轨迹线上活动，在重力作用
下，活动子在N02垂面上的投影点位于此时的预定轨迹线在N02垂面上的第一投影曲线的最
低点，此时其重力势能最低。设活动子位于预定轨迹线上的D1点，使用活动子位置测量单元
等效测量D1点在预定轨迹线上的位置；

[0118] 动体带动活动子导向器及其限定的预定轨迹线同步旋转并停留在第二静止位置，且活动子相对于P01点静止时，此时预定轨迹线上的D1点也随同动体同步旋转到新的位置，
但D1点相对于预定轨迹线的位置是无变化的。由于活动子能够在活动子导向器限定的预定
轨迹线上活动，在重力作用下，活动子在N02垂面上的投影点位于此时的预定轨迹线在N02 
垂面上的第一投影曲线的最低点，此时其重力势能最低。设活动子位于预定轨迹线的D2 
点，使用活动子位置测量单元等效测量D2点在预定轨迹线上的位置；

[0119] 预定轨迹线上的D1点、D2点在N01平面内的投影位置D1′、D2′，再结合N01平面内的P01点位置，可以确定D1′、D2′分别与P01点连线形成的旋转角，该旋转角即对应于动体在
N01平面内相对于P01点的旋转角。

[0120] 若N01平面与N02垂面重合，D1′、D2′分别与P01点连线形成的旋转角对应于动体在 N01平面内相对于P02点的旋转角。若N01平面与N02垂面存在夹角，根据使用本设备时，设置
的N01平面与N02垂面的夹角，可以利于几何算法换算出动体在N01平面内相对于P02 点的
旋转角。

[0121] 在某些时候，动体、活动子导向器及其限定的预定轨迹线停留在第一静止位置，且活动子相对于P01点静止时，可以设置此时的设备为初始位置，也就是此时的活动子在预定
轨迹线上的位置是已知的，这时，测量D1点与D2点的距离，结合预定轨迹线的曲线方程就可
以换算出预定轨迹线上的D2点位置。

[0122] 在某些时候，比如，若预定轨迹线是N01平面内的圆弧，且P01点设置在圆弧的圆心处，由于弧长与半径线相关，在获得预定轨迹线的D1点和D2点之间的长度(也就是弧长) 
后，结合预定轨迹线对应的半径，也可以得到预定轨迹线上的D1点、D2点的圆心角，由于预
定轨迹线是N01平面内的圆弧，故而预定轨迹线上的D1点、D2点的圆心角也即对应于动体在
N01平面内相对于P01点的旋转角。

[0123] 使用活动子位置测量单元等效测量所述预定轨迹线的D1点和D2点之间的长度的方法包括：动体在第一位置时，测量波发射器发出的波束经波反射面反射后被光接收器接
收的时差t1，动体在第二位置时，测量波发射器发出的波束经波反射面反射后被波接收器
接收的时差t2，预定轨迹线的D1点和D2点之间的长度＝0.5v(t2‑t1)cosα,v为波在波传导
管内的传输速度，α为所述波传导管内的波束与管线的入射夹角。

[0124] 其中，等效测量指根据确定的换算方法或计算方法，利用数学方法对测得的第一组物理量进行换算或计算，可以得到唯一对应的第二组物理量，则认为测量第一组物理量
等同于测量第二组物理量。

[0125] 实施例4：一种用于测量旋转角的设备，包括动体和实施例2的用于测量旋转角的模块。

[0126] 动体能够在N01平面内相对于N01平面内的P01点旋转，且动体在N01平面内相对于 P01点的最大旋转角≤180°，经P01点虚设N02垂面，N01平面与N02垂面的夹角＜90°。

[0127] 活动子导向器与动体固定连接，预定轨迹线在N01平面内的第二投影曲线围绕P01点形成旋转角第一测量区，旋转角第一测量区的圆心角≥最大旋转角，并使动体在N01平面
内相对于P01点的旋转期间，在活动子相对于P01点静止时，用于测量旋转角的模块的低点
找平机构具有低点找平效果。为实现这样的效果，活动子导向器与动体的相对位置关系这
样设置：动体在N01平面内绕P01点旋转的左侧极限位置处，使第一投影曲线的右侧端点位
于P01点正下方。这样在动体在N01平面内绕P01点向右侧旋转到右侧极限位置处时，同步带
动活动子导向器及预定轨迹线向右侧旋转到右侧极限位置，在活动子相对于P01点静止时，
活动子位于P01点的正下方，仍在第一投影曲线的最低点处。

[0128] 使用本实施例中的用于测量旋转角的设备，其方法与使用实施例3中的用于测量旋转角的设备大致相同，不同之处，本实施例中，使用活动子位置测量单元等效测量活动子
在预定轨迹线上的位置的方法包括：测量所述第二反射波束与所述第一反射波束的相位差
ψ，则所述波传导件与活动子之间的预定轨迹线段长度＝0.5vψTcosα,v为波在波传导管内
的传输速度，T为波束的周期，α为在所述波传导管内的波束与管线的入射夹角,结合预定轨
迹线的曲线公式，获得活动子在预定轨迹线上的位置。采用测量相位差ψ计算波传导件与所
述活动子之间的预定轨迹线段长度较实施例3中的测量误差更小。

[0129] 本发明的第三部分

[0130] 使用本发明第二部分的用于测量旋转角的设备时，为避免低点找平机构的低点找平功能失效，需要限定动体在N01平面内相对于P01点旋转形成的运动轨迹线不高于经P01
点的水平面。这限制了其应用范围。为此，本部分提供一种用于测量旋转角的装置、设备及
其使用方法，用于测量动体在N01平面内相对于P01点的旋转角。

[0131] 实施例5：一种用于测量旋转角的装置，设其使用状态时在N01平面内相对于N01平面内的P01点旋转，经P01点虚设N02垂面。

[0132] 其中，N02垂面是为了限定预定轨迹线的形状，只要预定轨迹线在经P01点确定的某一个垂面内的第一投影曲线属于全凸闭合曲线的一部分，此时就可以确定在用于测量旋
转角的模块在相对于P01点旋转时，若相对于P01点静止的活动子未处于预定轨迹线的两端
位置，此时的活动子就能够落在预定轨迹线的最低点。N02垂面的虚设方法、对应的垂面并
不影响本发明的实现。一种简单的虚设N02垂面的方法是：先确定N01平面内的经 P01点的
水平线，N02垂面为经过该水平线的垂面。

[0133] 一种用于测量旋转角的装置包括保持相对静止设置的至少两组本发明第一部分的用于测量旋转角的模块；每一组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线在N01平面上的第
二投影曲线围绕P01点形成旋转角第一测量区，该些组用于测量旋转角的模块对应的旋转
角第一测量区在N01平面上接续形成旋转角第二测量区。接续形成并非必须使N01平面上相
邻的两个第一测量区首尾相接，其在N01平面上存在部分重合区域也是可以的。

[0134] 优选的，旋转角第二测量区的圆心角＞180°且≤360°。

[0135] 优选的，预定轨迹线为平面曲线。平面曲线较三维曲线能够简化用于测量旋转角的装置使用过程的计算量。

[0136] 进一步的，预定轨迹线所在的平面与N01平面相平行设置。这样的设备能够简化用于测量旋转角的装置使用过程的计算量。

[0137] 优选的，在所述N01平面上，每一组用于测量旋转角的模块形成的所述旋转角第一测量区的圆心角≤180°。

[0138] 优选的，所述N01平面与所述N02垂面重合。

[0139] 为了降低旋转角的计算难度，预定轨迹线最好选择平面曲线，预定轨迹线所在的平面最好与N02垂面相平行设置，N01平面最好与N02垂面重合设置，这样预定轨迹线与第二
投影曲线相同的。

[0140] 一般的，第二旋转角有效测量扇形区域的圆心角＝360°，这样其通用性较好。两组用于测量旋转角的模块，预定轨迹线选择平面曲线，预定轨迹线所在的平面与N01平面相平
行设置，且每组用于测量旋转角的模块的旋转角第一测量区的圆心角＝180°，该两组用于
测量旋转角的模块的旋转角第一测量区首尾相接就能接续形成一个圆心角＝360°的旋转
角第二测量区。

[0141] 实施例6：一种用于测量旋转角的设备，包括动体和实施例5的用于测量旋转角的装置。

[0142] 动体能够在N01平面内相对于N01平面内的P01点旋转，且动体在N01平面内相对于 P01点的最大旋转角≤360°，经P01点虚设N02垂面，N01平面与N02垂面的夹角＜90°；

[0143] 每一组用于测量旋转角的模块的活动子导向器与动体保持相对静止设置，旋转角第二测量区的圆心角≥最大旋转角，并使动体在N01平面内相对于P01点的旋转期间，在所
有的活动子均相对于P01点静止时，至少一组用于测量旋转角的模块的低点找平机构具有
低点找平效果。

[0144] 该用于测量旋转角的设备的使用方法，包括以下步骤：

[0145] 动体在第一静止位置且每一组用于测量旋转角的模块的活动子均相对于P01点静止时，获取该状态的第一有效点、第一有效点在所有的用于测量旋转角的模块确定的预定
轨迹线上的位置；

[0146] 动体在第二静止位置且每一组用于测量旋转角的模块的活动子均相对于P01点静止时，获取该状态的第二有效点、第二有效点在所有的用于测量旋转角的模块确定的预定
轨迹线上的位置；

[0147] 所有的用于测量旋转角的模块确定的预定轨迹线及第一有效点、第二有效点投影于N01 平面上，以P01点为起点经第一有效点在N01平面上的投影点形成第一标定射线，以
P01 点为起点经第二有效点在N01平面上的投影点形成第二标定射线，动体从第一静止位
置旋转到第二静止位置在N01平面内相对于P01点的旋转角对应于从第一标定射线旋转到
第二标定射线的旋转角。

[0148] 其中，动体在某一静止位置且每一组用于测量旋转角的模块的活动子均相对于P01点静止时，可以采用以下方法获取该状态的有效点。具体包括以下分步骤：

[0149] 动体在静止位置时，测量每一组用于测量旋转角的模块的活动子在其匹配的预定轨迹线上的位置；

[0150] 若其中一组测量旋转角的模块的活动子未处于其匹配的预定轨迹线的两端，此时该组用于测量旋转角的模块的低点找平功能是有效的，则该组用于测量旋转角的模块的活
动子在预定轨迹线上的位置为有效点；

[0151] 若至少两组测量转动角的模块的活动子在N02垂面上的投影在经P01点的垂线上，由于每组用于测量旋转角的模块的活动子在N02垂面上的投影均不会位于P01的正上方，所
以至少两组测量转动角的模块的活动子在N02垂面上的投影在经P01的垂线上时，其投影必
然位于P01的正下方，此时该些组测量转动角的模块的低点找平机构的低点找平功能是有
效的，则以该些组用于测量转动角的模块的活动子在对应的预定轨迹线上的位置为有效
点。

[0152] 有获取有效点后，结合同一测量旋转角的模块的预定轨迹线在所有的用于测量旋转角的模块确定的预定轨迹线上的位置，就可以获得有效点在所有的用于测量旋转角的模
块确定的预定轨迹线上的位置。

[0153] 本发明的第四部分

[0154] 本部分提供一种用于测量平面倾角的设备，用于测量平面倾角。

[0155] 实施例7：一种用于测量平面倾角的设备,包括动体和至少两组本发明第一部分所述的用于测量旋转角的模块。

[0156] 动体的N03平面能够相对于P01点倾斜，经P01点虚设N01平面、N02垂面、N11平面和N12平面，N01平面与N02垂面的夹角＜90°,N11平面和所述N12平面均为非水平面且相互垂
直设置。其中，N02垂面是为了限定预定轨迹线的形状，只要预定轨迹线在经P01 点确定的
某一个垂面内的第一投影曲线属于全凸闭合曲线的一部分，此时就可以确定在用于测量旋
转角的模块在相对于P01点旋转时，若相对于P01点静止的活动子未处于预定轨迹线的两端
位置，此时的活动子就能够落在预定轨迹线的最低点。N02垂面的虚设方法、对应的垂面并
不影响本发明的实现。一种简单的虚设N02垂面的方法是：先确定N01 平面内的经P01点的
水平线，N02垂面为经过该水平线的垂面。其中，N01平面是在使用用于测量旋转角的模块
时，用于标定用于测量旋转角的模块的测量面，N11平面、N12平面是为了标定动体相对于
P01点倾斜时的两个维度，通过N01平面与N11平面或N12平面的约束关系，将用于测量旋转
角的模块与动体装置在一起。

[0157] 在每一组用于测量旋转角的模块中，活动子导向器与动体保持相对静止设置，预定轨迹线为平行于N01平面设置的平面曲线，每一组用于测量旋转角的模块对应的预定轨
迹线在N01平面上的第二投影曲线围绕P01点形成旋转角第一测量区。

[0158] 其中至少一组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线被配置在N11平面的平行面上，并设置在动体的匹配位置，以使该些组用于测量旋转角的模块对应的旋转角第一测量
区在 N11平面上的投影接续形成旋转角第三测量区，并能够用于测量N03平面在其中一个
维度上的倾角。在本段中，该些组用于测量旋转角的模块指预定轨迹线被配置在N11平面的
平行面上的用于测量旋转角的模块，它们设置在动体的匹配位置的方式可以参照本发明第
三部分中记载的相关说明。

[0159] 其中至少一组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线被配置在N12平面的平行面上，并设置在动体的匹配位置，以使该些组用于测量旋转角的模块对应的旋转角第一测量
区在 N12平面上的投影接续形成旋转角第四测量区，并能够用于测量N03平面在另一个维
度上的倾角。在本段中，该些组用于测量旋转角的模块指预定轨迹线被配置在N12平面的平
行面上的用于测量旋转角的模块，它们设置在动体的匹配位置的方式可以参照本发明第三
部分中记载的相关说明。

[0160] 优选的，所述N11平面和所述N12平面均为垂面。这时，在本实施例中，被配置在N11 平面的平行面上的用于测量旋转角的模块用于测量N03平面在N11平面维度上的倾角，被配
置在N12平面的平行面上的用于测量旋转角的模块用于测量N03平面在N12平面维度上的倾
角。

[0161] 本发明的第五部分

[0162] 本部分提供一种用于测量三维倾角的设备，用以测量三维旋转角。

[0163] 实施例8：一种用于测量三维倾角的设备，包括动体和至少三组本发明第一部分记载的用于测量旋转角的模块。

[0164] 动体的P11点能够围绕P01点旋转，但动体的P11点不在水平面内转动，经P01点虚设N01平面、N02垂面、N11平面和N12平面，N01平面与N02垂面的夹角＜90°,N11平面和N12平
面均为非水平面且相互垂直设置。其中，N02垂面是为了限定预定轨迹线的形状，只要预定
轨迹线在经P01点确定的某一个垂面内的第一投影曲线属于全凸闭合曲线的一部分，此时
就可以确定在用于测量旋转角的模块在相对于P01点旋转时，若相对于P01点静止的活动子
未处于预定轨迹线的两端位置，此时的活动子就能够落在预定轨迹线的最低点。 N02垂面
的虚设方法、对应的垂面并不影响本发明的实现。一种简单的虚设N02垂面的方法是：先确
定N01平面内的经P01点的水平线，N02垂面为经过该水平线的垂面。其中，N01平面是在使用
用于测量旋转角的模块时，用于标定用于测量旋转角的模块的测量面，N11平面、N12平面是
为了标定动体相对于P01点倾斜时的两个维度，通过N01平面与 N11平面或N12平面的约束
关系，将用于测量旋转角的模块与动体装置在一起。

[0165] 在每一组用于测量旋转角的模块中，活动子导向器与动体保持相对静止设置，预定轨迹线为平行于N01平面设置的平面曲线，每一组用于测量旋转角的模块对应的预定轨
迹线在N01平面上的第二投影曲线围绕P01点形成旋转角第一测量区。

[0166] 其中至少两组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线被配置在N11平面的平行面上，并设置在动体的匹配位置，以使该些组用于测量旋转角的模块对应的旋转角第一测量
区在 N11平面上的投影接续形成旋转角第三测量区，并能够用于测量P11点在其中一个垂
面维度上相对于P01点的旋转角，旋转角第三测量区的圆心角＞180°且≤360°。在本段中，
该些组用于测量旋转角的模块指预定轨迹线被配置在N11平面的平行面上的用于测量旋转
角的模块，它们设置在动体的匹配位置的方式可以参照本发明第三部分中记载的相关说
明。

[0167] 其中至少一组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线被配置在N12平面的平行面上，并设置在动体的匹配位置，以使该些组用于测量旋转角的模块对应的旋转角第一测量
区以 N12平面上的投影接续形成旋转角第四测量区，并能够用于测量P11点在另一个垂面
维度上相对于P01点的旋转角。在本段中，该些组用于测量旋转角的模块指预定轨迹线被配
置在N12平面的平行面上的用于测量旋转角的模块，它们设置在动体的匹配位置的方式可
以参照本发明第三部分中记载的相关说明。

[0168] 优选的，N11平面和N12平面均为垂面。这时，在本实施例中，被配置在N11平面的平行面上的用于测量旋转角的模块用于测量P11点在N11平面维度上相对于P01点的旋转角，
被配置在N12平面的平行面上的用于测量旋转角的模块用于测量P11点在N12平面维度上相
对于P01点的旋转角。

[0169] 实施例9：一种用于测量三维倾角的设备，包括动体和至少四组用于测量旋转角的模块。

[0170] 动体的P11点能够围绕P01点旋转，但所述动体的P11点不在水平面内转动，经P01 点虚设N01平面、N02垂面、N11平面和N12平面，N01平面与N02垂面的夹角＜90°,N11 平面和
N12平面均为非水平面且相互垂直设置。其中，N02垂面是为了限定预定轨迹线的形状，只要
预定轨迹线在经P01点确定的某一个垂面内的第一投影曲线属于全凸闭合曲线的一部分，
此时就可以确定在用于测量旋转角的模块在相对于P01点旋转时，若相对于P01 点静止的
活动子未处于预定轨迹线的两端位置，此时的活动子就能够落在预定轨迹线的最低点。N02
垂面的虚设方法、对应的垂面并不影响本发明的实现。一种简单的虚设N02 垂面的方法是：
先确定N01平面内的经P01点的水平线，N02垂面为经过该水平线的垂面。其中，N01平面是在
使用用于测量旋转角的模块时，用于标定用于测量旋转角的模块的测量面，N11平面、N12平
面是为了标定动体相对于P01点倾斜时的两个维度，通过N01平面与N11平面或N12平面的约
束关系，将用于测量旋转角的模块与动体装置在一起。

[0171] 在每一组用于测量旋转角的模块中，活动子导向器与动体保持相对静止设置，预定轨迹线为平行于N01平面设置的平面曲线，每一组用于测量旋转角的模块对应的预定轨
迹线在N01平面上的第二投影曲线围绕P01点形成旋转角第一测量区。

[0172] 其中至少两组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线被配置在N11平面的平行面上，并设置在所述动体的匹配位置，以使该些组用于测量旋转角的模块对应的旋转角第一
测量区在N11平面上的投影接续形成旋转角第三测量区，并能够用于测量P11点在其中一个
垂面维度上相对于P01点的旋转角，所述旋转角第三测量区的圆心角＞180°且≤360°。在本
段中，该些组用于测量旋转角的模块指预定轨迹线被配置在N11平面的平行面上的用于测
量旋转角的模块，它们设置在动体的匹配位置的方式可以参照本发明第三部分中记载的相
关说明。

[0173] 其中至少两组用于测量旋转角的模块的预定轨迹线被配置在N12平面的平行面上，并设置在动体的匹配位置，以使该些组用于测量旋转角的模块对应的旋转角第一测量
区在N12平面上的投影接续形成旋转角第四测量区，并能够用于测量P11点在另一个垂面维
度上相对于P01点的旋转角。在本段中，该些组用于测量旋转角的模块指预定轨迹线被配置
在N12平面的平行面上的用于测量旋转角的模块，它们设置在动体的匹配位置的方式可以
参照本发明第三部分中记载的相关说明。

[0174] 优选的，所述N11平面和所述N12平面均为垂面。这时，在本实施例中，被配置在N11 平面的平行面上的用于测量旋转角的模块用于测量P11点在N11平面维度上相对于P01点的
旋转角，被配置在N12平面的平行面上的用于测量旋转角的模块用于测量P11点在N12 平面
维度上相对于P01点的旋转角，旋转角第四测量区的圆心角＞180°且≤360°。

[0175] 上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明。应当明白，实践中无法穷尽说明所有可能的实施方式，在此通过举例说明的方式尽可能的阐述本发明的发明构思。在不
脱离本发明的发明构思、且未付出创造性劳动的前提下，本技术领域的技术人员对上述实
施例中的技术特征进行取舍组合、具体参数进行试验变更，或者利用本技术领域的现有技
术对本发明已公开的技术手段进行常规替换形成的具体的实施例，均应属于为本发明隐含
公开的内容。