本发明涉及隧道断面仪。
背景技术：
开挖是隧道施工工期和造价的关键工序，超挖不仅因为出渣量及衬砌量增多而提高工程造价，还会因为局部超挖产生应力集中问题而直接影响围岩稳定性。欠挖则直接影响衬砌厚度，对于工程质量和安全产生隐患。各种资料显示，超欠挖控制对隧道结构的可靠度及经济效益有重要影响。隧道断面仪用于对隧道断面的快速精确测量。其核心部件为角度传感器和测距仪。
测距信息在隧道断面扫描中具有重要作用。按照测距原理，可以分为三角法、脉冲法、相位法。三角法是一束激光照射到物体上，部分漫反射激光经过棱镜在光电探测设备上成像。三角法在应用上有很多定位参数要求，在测量设备标定上非常繁琐而且费时，实测时若系统中某项参数无法准确得到，将使得测量数据产生误差。当测量设备有微小变动时，系统中每项参数都必须重新标定。见许智钦孙长库编著，《3D逆向工程》（中国计量出版社2002年4月第1版）p16。
考虑到隧道的环境，一般不适用三角法。何保喜主编，黄河水利出版社2005年8月出版之《全站仪测量技术》第二章第二节，介绍了目前全站仪的测距原理，主要是脉冲法、相位法测距，都需要对应的复杂的电子系统。脉冲法测距，直接测定测距仪发出的脉冲往返被测距离的时间。根据叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p8，用于计时的时钟频率即便有极微小的误差，也会导致很大的测量误差。比如时钟频率为100MHz，即便有±1Hz的频率误差，测距误差也将达到±1.5m。所以脉冲法测量精度低，主要用于远程低精度测量。相位法测距，其原理是通过测量连续的调制信号在待测距离上往返产生的相位变化来间接测定传播时间，从而求得传播距离。相位法测距，涉及复杂的控制和运算，比如测尺转换和控制、光路转换控制，减光自动控制，测相节奏（时序控制）、相位距离换算、粗精尺距离衔接运算等等（见叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p15）。测量的电子系统远比脉冲法复杂。由此会导致很多问题。叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p42第3章进行了分析，比如电路中的同频光电窜扰信号导致的周期误差，内部石英晶体振荡器受温度影响导致的误差。李广云、李宗春主编，测绘出版社2011年1月出版之《工业测量系统原理与应用》p134，也提及实际测距频率和设计频率不一致导致的测距误差问题。
有一个问题对测距精度至关重要，无论脉冲测距或者相位测距，其测距精度都取决于对大气中的光速的精确测量。而实际测量过程中，光速受到大气温度、湿度、气压等情况影响，需要事先测量这些气象参数，并进行相关的气象改正。根据李泽球主编，武汉理工大学出版社2012年7月出版之《全站仪测量技术》p22，全站仪的气象改正还与该全站仪所用测距光波的波长有关。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种测量精确、操作方便、适应隧道恶劣测量环境的新型隧道断面仪。
为达到上述目的，本发明采取如下第一种技术方案：本发明具有基座、水平回转平台、支架和竖轴，支架固定在水平回转平台上，竖轴与基座固定连接，水平回转平台处于基座上且围绕竖轴的轴心线旋转，支架上设有水平的能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴，在主横轴上固定有一号主观测装置，为一内置CCD数字相机的望远镜，其视准轴称为一号主观测线，一号主观测线与主横轴的轴心线垂直相交，形成主交点，一号主观测装置上还固定有连杆，连杆的轴心线经过主交点且垂直于一号主观测线，连杆上设有副轴架，副轴架上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副轴，副轴的轴心线与一号主观测线成空间垂直，且与连杆的轴心线垂直相交，形成副交点，在副轴上固定有一号副观测装置，为一激光器，其光轴称为一号副观测线，一号副观测线通过副交点且垂直于副轴的轴心线，一号主观测线和一号副观测线处于同一平面；在主横轴和支架相应部位之间安装主度盘，在副轴和副轴架相应部位之间安装副度盘；上述水平回转平台的旋转为手动，主横轴及副轴的旋转均为电动。
为达到上述目的，本发明采取如下第二种技术方案：本发明具有基座、水平回转平台、支架和竖轴，支架固定在水平回转平台上，竖轴与基座固定连接，水平回转平台处于基座上且围绕竖轴的轴心线旋转，支架上设有水平的能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴，在主横轴上固定有二号主观测装置，为一激光器，其光轴称为二号主观测线，二号主观测线与主横轴的轴心线垂直相交，形成主交点，二号主观测装置上还固定有连杆，连杆的轴心线经过主交点且垂直于二号主观测线，连杆上设有副轴架，副轴架上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副轴，副轴的轴心线与二号主观测线成空间垂直，且与连杆的轴心线垂直相交，形成副交点，在副轴上固定有二号副观测装置，为一内置CCD数字相机的望远镜，其视准轴称为二号副观测线，二号副观测线通过副交点且垂直于副轴的轴心线，二号主观测线和二号副观测线处于同一平面；在主横轴和支架相应部位之间安装主度盘，在副轴和副轴架相应部位之间安装副度盘；上述水平回转平台的旋转为手动，主横轴及副轴的旋转均为电动。
为达到上述目的，本发明采取如下第三种技术方案：本发明具有基座、水平回转平台、支架和竖轴，支架固定在水平回转平台上，竖轴与基座固定连接，水平回转平台处于基座上且围绕竖轴的轴心线旋转，支架上设有水平的能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴，在主横轴上固定有三号主观测装置，为一激光器，其光轴称为三号主观测线，三号主观测线与主横轴的轴心线垂直相交，形成主交点，三号主观测装置上还固定有连杆，连杆的轴心线经过主交点且垂直于三号主观测线，连杆上设有副轴架，副轴架上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副轴，副轴的轴心线与三号主观测线成空间垂直，且与连杆的轴心线垂直相交，形成副交点，在副轴上固定有三号副观测装置，为一激光器，其光轴称为三号副观测线，三号副观测线通过副交点且垂直于副轴的轴心线，三号主观测线和三号副观测线处于同一平面；在三号主观测装置上设有CCD数字相机；在主横轴和支架相应部位之间安装主度盘，在副轴和副轴架相应部位之间安装副度盘；上述水平回转平台的旋转为手动，主横轴及副轴的旋转均为电动。
本发明的优点在于：相对三角法，本发明可以直接用于扫描，无需事先进行繁琐费时的标定；相对脉冲法和相位法，本发明电子设备大大简化，外界温度等因素对设备的影响大大减少；本发明完全可以满足测距精度要求；且本发明测距与光速无关，故使用前，无需进行温度、气压等测量，无需气象改正，特别适应隧道这一恶劣的测量环境。
附图说明
图1是实施例1示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是实施例1测量角度示意图。
图4是实施例2示意图。
图5是图4的俯视图。
图6是实施例2测量角度示意图。
图7是实施例3示意图。
图8是图7的俯视图。
图9是实施例3测量角度示意图。
具体实施方式
实施例1
见图1至图3，实施例1具有基座1、水平回转平台2、支架4和竖轴9，支架4固定在水平回转平台2上，竖轴9与基座1固定连接，水平回转平台2处于基座1上且围绕竖轴9的轴心线9a旋转，支架4上设有水平的能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴5。在主横轴5上固定有一号主观测装置6-1，一号主观测装置6-1为一内置CCD数字相机的望远镜，其视准轴称为一号主观测线6-1a，一号主观测线6-1a与主横轴5的轴心线5a垂直相交，形成主交点，一号主观测装置6-1上还固定有连杆13，连杆13的轴心线13a经过主交点且垂直于一号主观测线6-1a，连杆13上设有副轴架10，副轴架10上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副轴8，副轴8的轴心线8a与一号主观测线6-1a成空间垂直，且与连杆13的轴心线13a垂直相交，形成副交点，在副轴8上固定有一号副观测装置7-1，一号副观测装置7-1为一激光器，其光轴称为一号副观测线7-1a，一号副观测线7-1a通过副交点且垂直于副轴8的轴心线8a，一号主观测线6-1a和一号副观测线7-1a处于同一平面。在主横轴5和支架4相应部位之间安装主度盘11，在副轴8和副轴架10相应部位之间安装副度盘12。上述水平回转平台2的旋转为手动，主横轴5及副轴8的旋转均为电机驱动，电机为伺服电机或者超声电机。
主度盘11用于测量一号主观测线6-1a的转动角度。副度盘12用于测量一号副观测线7-1a与连杆13的轴心线13a的夹角即摆动角α的大小。
一号主观测装置6-1能随主横轴5的旋转作旋转，在连杆13的作用下，一号副观测装置7-1能随一号主观测装置6-1作同步旋转，当一号主观测装置6-1瞄准目标后，一号副观测装置7-1随副轴8的旋转而摆动，亦瞄准目标。
本实施例还具有电源部分、数据处理部分、通讯接口等。
将隧道内的测量点上，本发明置于整平的三脚架上。转动水平回转平台2，使得主横轴5的轴心线5a垂直于被测断面。将一号主观测线6-1a调整到隧道断面初始扫描位置，主度盘11给出初始角度。一号副观测装置7-1电动驱动，直至一号主观测装置的内置CCD数字相机在一号主观测线6-1a上观察到一号副观测装置7-1照射到隧道断面上的激光照射点。副度盘12给出摆动角α的值，完成第一点测量。然后，一号主观测装置6-1自动转动一个角度，重复上述过程，完成第二点测量。以此类推，直至完成该隧道断面扫描。
根据摆动角α的值，以及已知的主交点和副交点之间的距离h的值，最后通过数据处理部分获得每一扫描点与主交点距离S值。再结合每一扫描点的主度盘11的测量角度，获得隧道断面各点坐标。
实施例2
见图4至图6，实施例2具有基座1、水平回转平台2、支架4和竖轴9，支架4固定在水平回转平台2上，竖轴9与基座1固定连接，水平回转平台2处于基座1上且围绕竖轴9的轴心线9a旋转，支架4上设有水平的能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴5。在主横轴5上固定有二号主观测装置6-2，二号主观测装置6-2为一激光器，其光轴称为二号主观测线6-2a；二号主观测线6-2a与主横轴5的轴心线5a垂直相交，形成主交点，二号主观测装置6-2上还固定有连杆13，连杆13的轴心线13a经过主交点且垂直于二号主观测线6-2a；连杆13上设有副轴架10，副轴架10上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副轴8；副轴8的轴心线8a与二号主观测线6-2a成空间垂直，且与连杆13的轴心线13a垂直相交，形成副交点；在副轴8上固定有二号副观测装置7-2，二号副观测装置7-2为一内置CCD数字相机的望远镜，其视准轴称为二号副观测线7-2a；二号副观测线7-2a通过副交点且垂直于副轴8的轴心线8a；二号主观测线6-2a和二号副观测线7-2a处于同一平面。在主横轴5和支架4相应部位之间安装主度盘11，在副轴8和副轴架10相应部位之间安装副度盘12。上述水平回转平台2的旋转为手动，主横轴5及副轴8的旋转均为电机驱动，电机为伺服电机或者超声电机。
主度盘11用于测量二号主观测线6-2a的转动角度。副度盘12用于测量二号副观测线7-2a与与连杆13的轴心线13a之间的夹角即摆动角α的大小。
二号主观测装置6-2能随主横轴5的旋转作旋转，在连杆13的的作用下，二号副观测装置7-2能随二号主观测装置6-2作同步旋转，当二号主观测装置6-2瞄准目标后，二号副观测装置7-2随副轴8的旋转而摆动，亦瞄准目标。
本实施例还具有电源部分、数据处理部分、通讯接口等。
将隧道内的测量点上，本发明置于整平的三脚架上。转动水平回转平台2，使得主横轴5的轴心线5a垂直于被测断面。将二号主观测线6-2a调整到隧道断面初始扫描位置，主度盘11给出初始角度。二号副观测装置7-2电动驱动，直至内置CCD数字相机在二号副观测线7-2a上观察到二号主观测装置6-2照射到隧道断面上的激光照射点。副度盘12给出摆动角α的值，完成第一点测量。然后，二号主观测装置6-2自动转动一个角度，重复上述过程，完成第二点测量。以此类推，直至完成该隧道断面扫描。
根据摆动角α的值，以及已知的主交点和副交点之间的距离h的值，最后通过数据处理部分获得每一扫描点与主交点距离S值。再结合每一扫描点的主度盘11的测量角度，获得隧道断面各点坐标。
实施例3
见图7至图9，实施例3具有基座1、水平回转平台2、支架4和竖轴9，支架4固定在水平回转平台2上，竖轴9与基座1固定连接，水平回转平台2处于基座1上且围绕竖轴9的轴心线9a旋转，支架4上设有水平的能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴5。在主横轴5上固定有三号主观测装置6-3，三号主观测装置6-3为一激光器，其光轴称为三号主观测线6-3a，三号主观测线6-3a与主横轴5的轴心线5a垂直相交，形成主交点，三号主观测装置6-3上还固定有连杆13，连杆13的轴心线13a经过主交点且垂直于三号主观测线6-3a；连杆13上设有副轴架10，副轴架10上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副轴8，副轴8的轴心线8a与三号主观测线6-3a成空间垂直，且与连杆13的轴心线13a垂直相交，形成副交点，在副轴8上固定有三号副观测装置7-3，为一激光器，其光轴称为三号副观测线7-3a，三号副观测线7-3a通过副交点且垂直于副轴8的轴心线8a，三号主观测线6-3a和三号副观测线7-3a处于同一平面。在三号主观测装置6-3上设有CCD数字相机14。在主横轴5和支架4相应部位之间安装主度盘11，在副轴8和副轴架10相应部位之间安装副度盘12。上述水平回转平台2的旋转为手动，主横轴5及副轴8的旋转均为电机驱动，电机为伺服电机或者超声电机。
主度盘11用于测量三号主观测线6-3a的转动角度。副度盘12用于测量三号副观测线7-3a与与连杆13的轴心线13a之间的夹角即摆动角α的大小。
三号主观测装置6-3能随主横轴5的旋转作旋转，在连杆13的作用下，三号副观测装置7-3能随三号主观测装置6-3作同步旋转，三号副观测装置7-3随副轴8的旋转而摆动，亦瞄准目标。
本实施例还具有电源部分、数据处理部分、通讯接口等。
将隧道内的测量点上，本发明置于整平的三脚架上，转动水平回转平台2，使得主横轴5的轴心线5a垂直于被测断面。将三号主观测线6-3a调整到隧道断面初始扫描位置，照射到隧道断面，主度盘11给出初始角度。三号副观测装置7-3电动驱动，也照射到隧道断面，直至CCD数字相机14只观察到一个激光照射点，说明三号副观测装置7-3和二号主观测装置6-2瞄准到同一点，副度盘12给出摆动角α值，完成第一点测量。然后，三号主观测装置6-3自动转动一个角度，重复上述过程，完成第二点测量。以此类推，直至完成该隧道断面扫描。
根据摆动角α的值，以及已知的主交点和副交点之间的距离h的值，最后通过数据处理部分获得每一扫描点与主交点距离S值。再结合每一扫描点的主度盘11的测量角度，获得隧道断面各点坐标。
上述实施例中提到内置CCD数字相机望远镜，可见何保喜主编，黄河水利出版社2005年8月出版之《全站仪测量技术》第二章。另见梅文胜、杨红著，武汉大学出版社2011年11月出版之《测量机器人开发与应用》第2章。