CN111879281B - 一种长程转角精密距离测量装置及测量方法 - Google Patents

一种长程转角精密距离测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种长程转角精密距离测量装置，其包括基座，基座上设置有竖直的通孔轴，通孔轴上设置有球棱镜安装座，基座上设置有支架，支架上设置有U形支撑臂，U形支撑臂上设置有平面反射镜。本发明测量谷幅边长的方法为：测量出直线距离c，利用公式c2＝a2+b2计算全站仪距离平面反射镜中心的距离b，谷幅边长S＝H‑b。本发明的测量水平廊道高程的方法为：测量全站仪到平面反射镜中心的距离b，测量全站仪到水平廊道球棱镜的全程距离e；水平廊道的高程h＝g‑e+b+f。本发明只利用一台全站仪就可对近坝河谷两边的多条谷幅边长进行准确测量，实现自动化、智能化的测量。本发明对水平廊道高程的测量方法彻底降低了劳动强度和风险，保证了测量精度，提高了工作效率。

Description

一种长程转角精密距离测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及长距离测量技术领域，具体涉及一种长程转角精密距离测量装置及测量方法。
背景技术
谷幅测量(近坝库区河流两岸山体所形成的河谷对应左右两岸某一对固定点之间的长度测量)是目前我国拱坝型水电站需要实施监测的项目。目前国内外大部分是用人工的方法实施这种分别涉及河流两岸的精密距离测量，费时、费力、劳动量大，安全风险也高；进而有的水电站设计的方案是在测量每一条谷幅时就固定一台距离测量仪器测量，则多条谷幅测量就需要固定多台距离测量仪器来实施，虽然这样可以实现自动化监测来取代人工监测，但是每测量一条谷幅边长就需要固定一台距离测量仪器，这样的方法成本太高，而且多台距离测量仪器长期放置野外的安全和保护都是大问题。
对于具有水平廊道的大坝而言。水平廊道中的高程变化涉及大坝内部的变形问题，是大坝安全监测必须关注的变形监测项目，而通常的做法是从大坝的两端倾斜度很大的人行台阶隧洞中人工进行水准测量、将坝顶高程一小段一小段地传递到大坝中下部的水平廊道中来检测水平廊道中高程的变化。可想而知，这种方法是多么的费时费力，安全风险也很高。而稍不留意，轻则会精度超限，需要重新测量，重则人、仪器皆伤！
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种测量精确的长程转角精密距离测量装置及测量方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种长程转角精密距离测量装置，其包括基座，基座上设置有竖直的通孔轴，通孔轴上设置有球棱镜安装座，球棱镜安装座上设置有球棱镜，基座上设置有支架，支架上设置有U形支撑臂，U形支撑臂上设置有平面反射镜固定盘；平面反射镜固定盘上设置有平面反射镜，平面反射镜固定盘的两端通过铰接耳轴铰接在U形支撑臂上，两端的铰接耳轴的连线水平，且铰接耳轴的连线与平面反射镜的中心重合；通孔轴的中心线垂直通过平面反射镜的反射中心，铰接耳轴上设置有垂直旋转调整机构。
一种采用长程转角精密距离测量装置测量谷幅边长的方法，其包括以下步骤：
S1：在需测量谷幅边长的河岸一边安装目标棱镜作为目标点，河岸另一边安装转角距离测量装置和全站仪，并在目标棱镜和转角距离测量装置旁均设置气象仪表，确保全站仪与长程转角精密距离测量装置之间通视；
S2：在球棱镜安装座(11)上安装球棱镜(6)，打开全站仪，将全站仪对准球棱镜(6)，测量出全站仪到球棱镜(6)的直线距离c；
S3：将全站仪对准平面反射镜(5)的反射中心后，全站仪保持不动，通过垂直旋转转盘(2)和水平旋转转盘(10)调整平面反射镜(5)的垂直角度和水平角度，直至全站仪的望远镜十字丝中心对准河岸另一边的目标棱镜，固定垂直旋转转盘(2)和水平旋转转盘(10)；
S4：在全站仪上测量全站仪距离目标棱镜的总距离H，并获取目标棱镜和长程转角精密距离测量装置处的气象参数；
S5：利用公式c2＝a2+b2计算全站仪到平面反射镜(5)的反射中心的距离b，其中a为球棱镜(6)中心距离平面反光镜(5)的中心的距离，a为定值；
S6：计算河岸两边所需测量的谷幅边长S＝H-b，并将气象参数和谷幅S输入气象改正公式中，获得最终改正后的谷幅值，谷幅长度测量完成。
一种采用长程转角精密距离测量装置测量大坝水平廊道的高程的方法，其包括以下步骤：
A1：在坝顶的垂直廊道的上方用测量三脚架安装中空的对中基座(17)，对中基座(17)上安装天顶天底仪，将天顶天底仪的中心垂直投影到垂直廊道和水平廊道相交处的底部，并给予标注；
A2：在标注处的中心埋设球棱镜基座，在球棱镜基座上安装球棱镜，使球棱镜的反射面垂直向上，采用天顶天底仪调整对中基座(17)，使对中基座(17)的中心与水平廊道底部的球棱镜的中心位于同一条铅垂线上；
A3：在垂直廊道所在坝顶附近埋设一个新的水准基准点；
A4：从坝顶上任一稳定位置处的水准基点上用水准测量方法将高程传递到新的水准基点上；
A5：从对中基座(17)上取下天顶天底仪，安装上长程转角精密距离测量装置，并在水准基点上立水准尺；
A6：在坝顶上垂直廊道附近架设水准仪，使水准仪到水准尺的距离等于水准仪到平面反射镜(5)的反射中心的距离，调整水准仪的高度，使得水准仪调平后对准的平面反射镜(5)的反射中心，转动水准仪对准水准尺读数，得到平面反射镜的反射中心的高程测量值g；
A7：在坝顶距离垂直廊道的设定位置架设全站仪，用全站仪观测平面反射镜(5)，调整平面反射镜(5)的垂直与水平角度，直到全站仪的十字丝对准平面反射镜的中心，用全站仪测量到平面反射镜(5)的反射中心的距离b；
A8：全站仪保持不动，用全站仪观测平面反射镜(5)，再调整平面反射镜(5)的垂直和水平角度，使水平廊道球棱镜的中心出现在全站仪的十字丝中心，用全站仪通过平面反射镜(5)测量到水平廊道底部球棱镜的中心的全程距离e；
A9：水平廊道球棱镜中心所在位置的高程h＝g-e+b+f，其中f为水平廊道球棱镜的半径。
本发明的有益效果为：本方案将常规的红外电磁波直接直线距离测量，变换成利用平面反射镜转化为夹有一定角度的两段直线距离的测量，即通过全站仪对平面反射镜中心前段直线距离测量，以及转角后平面反射镜中心到远处目标点的后段直线距离测量，得到最终的目标距离测量。
为了在距离测量的起始端的全站仪的望远镜中精确照准远端的目标点，本发明设计了可以对平面反射镜水平旋转调整的水平旋转转盘和垂直旋转调整的垂直旋转转盘，将平面反射镜的转动量分解为水平和垂直两个方向的两轴联动转动。
并且本方案还设计了可以将调节位置固定的第二锁紧螺钉和第一锁紧螺钉，保证了长程转角距离测量可以多次重复进行，解决了长程距离测量中特殊工况条件下的距离测量的困难问题。
而本方案的长程转角精密距离测量装置可以在坝顶将微倾水平方向的测距转角为垂直方向的测距。通过大坝坝顶已有的垂直竖井，简单、快速地获得垂直方向上坝顶到水平廊道底部的精密距离、也就是完成了坝顶到水平廊道的高程传递。
本发明只利用一台全站仪就可对河岸两边的多条谷幅边长进行准确测量，进而实现自动化、智能化的测量。同时也可以彻底改变大坝的水平廊道高程测量的高危、高劳动强度的现状，既保证了测量精度，又大大提高了工作效率、节省了费用。
附图说明
图1为长程转角精密距离测量装置的结构图。
图2为利用长程转角精密距离测量装置测量谷幅边长的原理图。
图3为利用长程转角精密距离测量装置测量大坝水平廊道的高程的原理图。
其中，1、第一锁紧螺钉，2、垂直旋转转盘，3、垂直旋转调整机构，4、铰接耳轴，5、平面反射镜，6、球棱镜，7、基座，8、第二锁紧螺钉，9、三爪卡盘，10、水平旋转转盘，11、球棱镜安装座，12、U形支撑臂，13、支架，14、平面反射镜固定盘，15、水平气泡，16、水平微动旋钮，17、对中基座，18、垂直微动旋钮。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本方案的长程转角精密距离测量装置包括基座7，基座7上设置有竖直的通孔轴，通孔轴上设置有球棱镜安装座11，球棱镜安装座11上设置有球棱镜6，基座7上设置有支架13，支架13上设置有U形支撑臂12，U形支撑臂12上设置有平面反射镜固定盘14；平面反射镜固定盘14上设置有平面反射镜5，平面反射镜固定盘14的两端通过铰接耳轴4铰接在U形支撑臂12上，两端的铰接耳轴4的连线水平，且铰接耳轴4的连线与平面反射镜5的中心重合；通孔轴的中心线垂直通过平面反射镜5的反射中心，铰接耳轴4上设置有垂直旋转调整机构3。
垂直旋转调整机构3包括垂直旋转转盘2，垂直旋转转盘2与铰接耳轴4连接，垂直旋转转盘2固定在U形支撑臂12上，垂直旋转转盘2可粗调平面发射镜的垂直角度旋转，垂直旋转转盘2上设置有第一刻度盘。垂直旋转调整机构3上设置有锁止铰接耳轴4的第一锁紧螺钉1垂直旋转调整机构3上设置有的垂直微动旋转旋钮18。
基座7的下端设置有水平旋转转盘10，水平旋转转盘10与基座7之间转动连接，水平旋转转盘10可以粗调水平角度旋转，水平旋转转盘10上设置有第二刻度盘。基座7上设置有锁止水平旋转转盘10的第二锁紧螺钉8，水平旋转转盘10上设置有水平微动旋转旋钮19。水平旋转转盘10的下端设置有三爪卡盘9，三爪卡盘9固定在对中基座17上，基座7上设置有水平气泡15。
本方案通过两轴联动调整平面反射镜5水平角度和垂直角度，来反射全站仪的测量光束到指定的远端目标，操作简单，成本低。第一刻度盘可读取平面反射镜5垂直旋转的角度，垂直微动旋钮18可方便微小精密调整，垂直角度调整好后，通过第一锁紧螺钉1进行锁紧。第二刻度盘读取平面反射镜5水平旋转的角度，水平微动旋钮19可方便微小精密调整，水平角度调整好后，并通过第二锁紧螺钉8进行锁紧。水平气泡15用于显示基座7的水平度，方便将长程转角精密距离测量装置的基座整平。
如图2所示，本方案采用长程转角精密距离测量装置测量谷幅边长的测量方法包括以下步骤：
S1：在需测量谷幅边长的河岸一边安装目标棱镜作为目标点，河岸另一边安装转角距离测量装置和全站仪，并在目标棱镜和转角距离测量装置旁均设置气象仪表，确保全站仪与长程转角精密距离测量装置之间通视；
S2：在球棱镜安装座(11)上安装球棱镜(6)，打开全站仪，将全站仪对准球棱镜(6)，测量出全站仪到球棱镜(6)的直线距离c；
S3：将全站仪对准平面反射镜(5)的反射中心后，全站仪保持不动，通过垂直旋转转盘(2)和水平旋转转盘(10)调整平面反射镜(5)的垂直角度和水平角度，直至全站仪的望远镜十字丝中心对准河岸另一边的目标棱镜，固定垂直旋转转盘(2)和水平旋转转盘(10)；
S4：在全站仪上测量全站仪距离目标棱镜的总距离H，并获取目标棱镜和长程转角精密距离测量装置处的气象参数；
S5：利用公式c2＝a2+b2计算全站仪到平面反射镜(5)的反射中心的距离b，其中a为球棱镜(6)中心距离平面反光镜(5)的中心的距离，a为定值，长程转角精密距离测量装置加工好之后，a值就已经确定；
S6：计算河岸两边所需测量的谷幅边长S＝H-b，并将气象参数和谷幅S输入气象改正公式中，获得最终改正后的谷幅值，谷幅长度测量完成。
本发明只利用一台全站仪就可对河岸两边的多条谷幅边长进行准确测量，进而实现自动化、智能化的测量。在河岸两侧需测量谷幅边长的一对点上安装对应的目标棱镜和本发明的转角测距装置，需测量对应点谷幅边长时，只需依次命令全站仪对准相应的点上安置的长程转角精密距离测量装置、实施测量即可。全站仪设置在可以通视各个放置长程转角精密距离测量装置的固定位置，大大节约了多台仪器的费用，简化编程工作，能实施多条谷幅边长的自动化测量和分析，真正实现谷幅测量的智能化。
如图3所示，采用本方案的长程转角精密距离测量装置测量大坝水平廊道的高程的方法包括以下步骤：
A1：在坝顶的垂直廊道的上方用测量三脚架安装中空的对中基座(17)，对中基座(17)上安装天顶天底仪，将天顶天底仪的中心垂直投影到垂直廊道和水平廊道相交处的底部，并给予标注；
A2：在标注处的中心埋设球棱镜基座，在球棱镜基座上安装球棱镜，使球棱镜的反射面垂直向上，采用天顶天底仪调整对中基座(17)，使对中基座(17)的中心与水平廊道底部的球棱镜的中心位于同一条铅垂线上；
A3：在垂直廊道所在坝顶附近埋设一个新的水准基准点；
A4：从坝顶上任一稳定位置处的水准基点上用水准测量方法将高程传递到新的水准基点上；
A5：从对中基座(17)上取下天顶天底仪，安装上长程转角精密距离测量装置，并在水准基点上立水准尺；
A6：在坝顶上垂直廊道附近架设水准仪，使水准仪到水准尺的距离等于水准仪到平面反射镜(5)的反射中心的距离，调整水准仪的高度，使得水准仪调平后对准的平面反射镜(5)的反射中心，转动水准仪对准水准尺读数，得到平面反射镜反射中心的高程测量值g；
A7：在坝顶距离垂直廊道的设定位置架设全站仪，用全站仪观测平面反射镜(5)，调整平面反射镜(5)的垂直与水平角度，直到全站仪的十字丝对准平面反射镜的中心，用全站仪测量到平面反射镜(5)的反射中心的距离b；
A8：全站仪保持不动，用全站仪观测平面反射镜(5)，再调整平面反射镜(5)的垂直和水平角度，使水平廊道球棱镜的中心出现在全站仪的十字丝中心，用全站仪通过平面反射镜(5)测量到水平廊道底部球棱镜的中心的全程距离e；
A9：水平廊道球棱镜中心所在位置的高程h＝g-e+b+f，其中f为水平廊道球棱镜的半径，已知f＝22.5mm。
如果高程测量要求的精度很高，则分别对坝顶和所测水平廊道两处进行温度、湿度和气压的测量，并按照红外激光测距的气象改正通用公式分别对e和b进行气象改正，获得经过气象改正后的e和b，带入h＝g-e+b+f计算h。
以球棱镜的顶部为尺垫，按照规定的水准测量等级，可以实施水平廊道中的水准测量、获得测量时刻该廊道中其他水准基点的高程值。
本发明将传统的水平廊道高程测量的短距离、大高差、多转点、困难与危险并存的繁复水准测量劳动转化成了一次性微倾距离测量和垂直距离测量，省时、省力、安全可靠精度高。彻底降低了大坝的水平廊道高程传递测量的劳动强度，受外界干扰少，大大提高了工作效率。

Claims (9)

1.一种长程转角精密距离测量装置，其特征在于，包括基座(7)，所述基座(7)上设置有竖直的通孔轴，所述通孔轴上设置有球棱镜安装座(11)，所述球棱镜安装座(11)上设置有球棱镜(6)，所述基座(7)上设置有支架(13)，所述支架(13)上设置有U形支撑臂(12)，所述U形支撑臂(12)上设置有平面反射镜固定盘(14)；所述平面反射镜固定盘(14)上设置有平面反射镜(5)，所述平面反射镜固定盘(14)的两端通过铰接耳轴(4)铰接在U形支撑臂(12)上，两端的所述铰接耳轴(4)的连线水平，且铰接耳轴(4)的连线与平面反射镜(5)的中心重合；所述通孔轴的中心线垂直通过平面反射镜(5)的反射中心，所述铰接耳轴(4)上设置有垂直旋转调整机构(3)。
2.根据权利要求1所述的长程转角精密距离测量装置，其特征在于，所述垂直旋转调整机构(3)包括垂直旋转转盘(2)，所述垂直旋转转盘(2)与铰接耳轴(4)连接，所述垂直旋转转盘(2)固定在U形支撑臂(12)上，所述垂直旋转转盘(2)上设置有第一刻度盘。
3.根据权利要求2所述的长程转角精密距离测量装置，其特征在于，所述垂直旋转调整机构(3)上设置有锁止铰接耳轴(4)的第一锁紧螺钉(1)，所述垂直旋转调整机构(3)上设置有的垂直微动旋转旋钮(18)。
4.根据权利要求1所述的长程转角精密距离测量装置，其特征在于，所述基座(7)的下端设置有水平旋转转盘(10)，所述水平旋转转盘(10)与基座(7)之间转动连接，所述水平旋转转盘(10)上设置有第二刻度盘。
5.根据权利要求4所述的长程转角精密距离测量装置，其特征在于，所述基座(7)上设置有锁止水平旋转转盘(10)的第二锁紧螺钉(8)，所述水平旋转转盘(10)上设置有水平微动旋转旋钮(19)。
6.根据权利要求4所述的长程转角精密距离测量装置，其特征在于，所述水平旋转转盘(10)的下端设置有三爪卡盘(9)，所述三爪卡盘(9)固定在对中基座(17)上。
7.根据权利要求1所述的长程转角精密距离测量装置，其特征在于，所述基座(7)上设置有水平气泡(15)。
8.一种采用权利要求1-7任一项所述的长程转角精密距离测量装置测量谷幅边长的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在需测量谷幅边长的河岸一边安装目标棱镜作为目标点，河岸另一边安装转角距离测量装置和全站仪，并在目标棱镜和转角距离测量装置旁均设置气象仪表，确保全站仪与长程转角精密距离测量装置之间通视；
S2：在球棱镜安装座(11)上安装球棱镜(6)，打开全站仪，将全站仪对准球棱镜(6)，测量出全站仪到球棱镜(6)的直线距离c；
S3：将全站仪对准平面反射镜(5)的反射中心后，全站仪保持不动，通过垂直旋转转盘(2)和水平旋转转盘(10)调整平面反射镜(5)的垂直角度和水平角度，直至全站仪的望远镜十字丝中心对准河岸另一边的目标棱镜，固定垂直旋转转盘(2)和水平旋转转盘(10)；
S4：在全站仪上测量全站仪距离目标棱镜的总距离H，并获取目标棱镜和长程转角精密距离测量装置处的气象参数；
S5：利用公式c2＝a2+b2计算全站仪到平面反射镜(5)的反射中心的距离b，其中a为球棱镜(6)中心距离平面反光镜(5)的中心的距离，a为定值；
S6：计算河岸两边所需测量的谷幅边长S＝H-b，并将气象参数和谷幅S输入气象改正公式中，获得最终改正后的谷幅值，谷幅长度测量完成。
9.一种采用权利要求1-7任一项所述的长程转角精密距离测量装置测量大坝水平廊道的高程的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1：在坝顶的垂直廊道的上方用测量三脚架安装中空的对中基座(17)，对中基座(17)上安装天顶天底仪，将天顶天底仪的中心垂直投影到垂直廊道和水平廊道相交处的底部，并给予标注；
A2：在标注处的中心埋设球棱镜基座，在球棱镜基座上安装球棱镜，使球棱镜的反射面垂直向上，采用天顶天底仪调整对中基座(17)，使对中基座(17)的中心与水平廊道底部的球棱镜的中心位于同一条铅垂线上；
A3：在垂直廊道所在坝顶附近埋设一个新的水准基准点；
A4：从坝顶上任一稳定位置处的水准基点上用水准测量方法将高程传递到新的水准基点上；
A5：从对中基座(17)上取下天顶天底仪，安装上长程转角精密距离测量装置，并在水准基点上立水准尺；
A6：在坝顶上垂直廊道附近架设水准仪，使水准仪到水准尺的距离等于水准仪到平面反射镜(5)的反射中心的距离，调整水准仪的高度，使得水准仪调平后对准的平面反射镜(5)的反射中心，转动水准仪对准水准尺读数，得到平面反射镜的反射中心的高程测量值g；
A7：在坝顶距离垂直廊道的设定位置架设全站仪，用全站仪观测平面反射镜(5)，调整平面反射镜(5)的垂直与水平角度，直到全站仪的十字丝对准平面反射镜的反射中心，用全站仪测量到平面反射镜(5)的反射中心的距离b；
A8：全站仪保持不动，用全站仪观测平面反射镜(5)，再调整平面反射镜(5)的垂直和水平角度，使水平廊道球棱镜的中心出现在全站仪的十字丝中心，用全站仪通过平面反射镜(5)测量到水平廊道底部球棱镜的中心的全程距离e；
A9：水平廊道球棱镜中心所在位置的高程h＝g-e+b+f，其中f为水平廊道球棱镜的半径。
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