一种管道三维姿态测量仪的制作方法

本实用新型涉及工程监测技术领域，尤其是管道三维姿态测量技术领域。

背景技术：

目前，管道三维姿态一般通过在管道内置入测斜仪，根据倾斜角等参数计算得到。

一般测斜仪由探头、电缆、数据采集仪(读数仪)组成。探头的传感器型式有伺服加速度计式、电阻应变片式、钢弦式、差动电阻式等多种型式，目前使用最多的是伺服加速度式。国内有航天部33 所生产的CX 系列，国外有美国SINCO 公司的数字测斜仪，瑞士的PRIVEC 等。

内壁有导槽的管道，由管道、连接管、管座、管盖组成。管道是用聚氯乙烯、ABS 塑料、铝合金等材料制成，管内有互成90 度四个导向槽，国产塑料管道尺寸多为：内径Φ58mm，径Φ70mm、长度分2m，3m，4m 三种。塑料连接管多采用市场上出售的聚氯乙烯塑料管制成，还可用软的万能接头相连。连接管的尺寸为内径Φ70mm，外径Φ82mm，长度分300，400mm两种。在管壁的两端铣制有滑动槽各4 条或仅一端铣制滑动槽4 条，各槽相隔90 度。管座位于管道底端，与管外径匹配，防止泥砂从管底端进入管内的一个安全护盖。管盖用于保护管道管口，防止杂物从管口掉入管内影响正常观测工作也由聚氯乙烯制成，其外形尺寸同管座。

测斜仪的工作原理是测量管道轴线与铅垂线之间的夹角变化量，从而计算出土层各点的水平位移大小。通常在坝内埋设一垂直并互成90°四个导槽的管子，当管子受力发生变形时，将测斜仪探头放入管道导槽内，逐段(一般50cm 一个测点) 量测变形后管子的轴线与垂直线之间的夹角，并按测点的分段长度，分别求出不同高程处的水平位移增量，然后由管道底部测点开始逐段累加，可得任一高程处的实际位移，最后求出管口累积水平位移。

现有管道三维姿态监测装置存在以下问题。

1. 测量效率低，测量过程费时费力。每次只能测量一个方向的角度，且花费时间较长，如一个深20m的测斜监测点需正测、反测共80个读数（每隔0.5m读数一次），每次读数一定要等候电压值稳定才能读数，确保读数准确性，一个监测点需要2个熟练的技术员测量半个小时左右，一天只能观测测斜监测点20个左右。

2. 测斜仪结构较复杂，附加成本较高。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的问题是提高管道三维姿态测量效率和降低仪器成本。

一种管道三维姿态测量仪，包括测量杆、若干倾角传感器、接收器，测量杆上安装倾角传感器，倾角传感器与接收器通过有线或无线的方式相连。

优选地，测量杆两侧均有一对滑轮，另外还备有多组尺寸不同的滑轮供选配安装。

优选地，测量杆上长度方向的垂直截面为圆形。

优选地，测量杆长度、截面直径依次为490-1010mm、40-68mm。

优选地，所有倾角传感器在安装在测量杆上之前均已水平调零。

优选地，倾角传感器安装时其水平调平平面与测量杆长度方向垂直。

优选地，当倾角传感器与接收器通过无线的方式相连时，倾角传感器内置有无线信号发射模块，接收器内置有无线信号接收模块。

优选地，倾角传感器为双轴倾角传感器。

优选地，测量杆上安装的双轴倾角传感器的数量为1个。

该装置有益效果如下：1. 测量效率高，倾角传感器较传统测斜仪稳定所需时间短，读数效率高；2. 节省成本，首先倾角传感器直接安装在测量杆上，减少了其它附加结构成本；3. 适应性强，滑轮可根据具体管道尺寸选择更换，能适应不同管道。

附图说明

图1是一种管道三维姿态测量仪的整体结构示意图。

图2是一种管道三维姿态测量仪的测量原理图。

图3是一种管道三维姿态测量仪无线连接时结构示意图。

图中：1. 测量杆、2. 倾角传感器、3. 接收器、4. 滑轮、5. 倾角传感器所在平面、6. 管道底端的测量杆。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种管道三维姿态测量仪，包括测量杆、若干倾角传感器、接收器，测量杆上安装倾角传感器，倾角传感器与接收器通过有线的方式相连。

优选地，测量杆两侧均有一对滑轮，另外还备有多组尺寸不同的滑轮供选配安装。滑轮使得测量杆可在所测管道内自由滑动。根据管道大小更换相应尺寸的滑轮，成本低廉，结构简单、稳定性高。

测量杆上长度方向的垂直截面为圆形。圆形截面较矩形更能防止测量杆发生形变，另外圆形截面测量杆在管道内滑动更为顺畅。

测量杆长度、截面直径依次为490-1010mm、40-68mm。该直径范围是为了保证测量杆横截面稍小于一般测斜管管道内径，测量杆可在管道内自由滑动，又不至于间隔太宽，过于松弛。

所有倾角传感器在安装在测量杆上之前均已水平调零。这样，倾角传感器在测量过程所显示的角度即是其与水平方向的夹角，便于计算和数据处理。

倾角传感器安装时其水平调平平面与测量杆长度方向垂直。这样，倾角传感器在测量过程所显示的角度既是其与水平方向的夹角，又是测量杆的倾斜角度，便于计算和数据处理。

倾角传感器为双轴倾角传感器。由于铰链能各向转动，倾角传感器为双轴倾角传感器较好。

测量杆上安装的双轴倾角传感器的数量为1个。由于默认测量杆是不会产生弯曲形变的，测量杆可看成是一条线段，只要一个倾斜角就可确定测量杆位置，因此优选地，每一测量杆上均安装一倾角传感器即可满足要求。

该装置的使用方法如下：

a. 将测量杆插入管道底部，在接收器上读取倾角传感器的倾角值；b. 依次将测量杆上拉测量杆长度，并记下各个位置点倾角传感器的倾角值，直至将测量杆拉出地面；c. 以管道底部为基点，结合测量杆的长度、倾角值，计算确定管道位置。

图2所示为具体计算原理，设OA为管道底端的测量杆上两端的连线，长度为s，O为位置已知且默认不变的基点，为了便于便于数据处理，初始位置设为测量杆被拉直且竖直放置、倾角传感器调平平面垂直于OA，

旋转角<α，β>后，确定A₁（x,y,z,）的位置：

图2右边部分可知，DC=x，bc=y，CA₁=z，

根据三角关系，在直角三角形A₁CD和A₁CB中，

A₁C =xcotα=ycotβ

在直角三角形A₁BO中，

x²+(y/sinα)²=s²

根据上述两式，将α、β、s代入可求出x和y，在直角三角形A₁CD中，

z= xcotα

至此，A₁（x,y,z,）的位置已确定，

然后在以A₁为基点，确定A₂，再以A₂为基点，确定A₃，依次以下一个求出点为基点计算上一个点，直至测量杆上所有点的位置都计算确定，管道的位置也就确定了。

实施例2

如图3所示，一种管道三维姿态测量仪，包括测量杆、若干倾角传感器、接收器，测量杆上安装倾角传感器，倾角传感器与接收器通过无线的方式相连。

当倾角传感器与接收器通过无线的方式相连时，倾角传感器内置有无线信号发射模块，接收器内置有无线信号接收模块。优选地，接收器外置有无线信号接收天线。无线的连接方式免去了连线的麻烦，但无线模块会相应增加装置的生产成本。

其它装置结构和测量步骤同实施例1。