一种可采集产状数据的电子罗盘装置及测量方法与流程

1.本发明涉及地质勘测工作装备技术领域，尤其是可采集产状的电子罗盘装置。


背景技术：

2.在野外地质勘测工作中，罗盘作为必备工具之一，为岩层、构造信息的搜集起到了至关重要的作用。传统的罗盘主要为圆盆式，借助指针、水准器、镜面等读取地质信息，但这类罗盘在操作时对所测量的层面要求较高，层面需具备一定工作空间并且平直，一定程度上影响了野外地质勘测的效率。此外传统的罗盘仅用于测量，并不具备存储数据的功能，当野外工作条件恶劣时，工作开展十分不便。


技术实现要素：

3.本发明提供一种可采集产状数据的电子罗盘装置，解决现有电子罗盘装置，只能用来测量数据，不能高效、迅速的完成数据的采集、处理和存储的问题。
4.为达成发明目的，发明了一种可采集产状的电子罗盘装置，包括坐标确定部、测量部、数据处理部，所述坐标确定部建立测量坐标系；所述测量部完成测量数据的采集；所述数据处理部将测量数据转化为三维坐标，根据三维坐标计算测量层面的倾向和倾角，并将计算结果存储和显示。
5.优选的，所述坐标确定部包括：电子指南针、水准气泡，所述电子指南针提供方位指示，所述水准气泡提供水平指示。
6.优选的，所述的水准气泡设置于所述电子罗盘装置顶部。
7.优选的，所述测量部包括：可转动调节射向的三组红外探头、数字信号处理器，所述红外探头将测量数据的光信号转化为电信号后发送至所述数字信号处理器，将测量数据的电信号转换成数字信号传输至数据处理部。
8.优选地，测量部还包括三个可转动的连接管，三个连接管一端汇聚为一点，在每个连接管中设置有一个所述红外探头；所述红外探头通过转动所述连接管调节其射向。
9.优选的，所述数据处理部包括：中央数据处理器、存储卡、显示器，所述中央数据处理器将所述测量部的测量数据换算为坐标数据，并计算倾向和倾角，所述存储卡用于存储所述中央数据处理器的计算结果，所述显示器实现所述中央数据处理器计算结果的显示。
10.优选的，还包括采集箱；电子指南针、水准气泡分别设置在所述采集箱顶部，在采集箱下面设置有把手，连接管汇聚于一点的一端转动设置在所述采集箱测量端上，数字信号处理器及测量部设置与采集箱中。
11.优选地，激发开关设置在所述把手上。
12.本发明还提供了一种电子罗盘装置的测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
13.①
根据定向方位，建立测量坐标系；
14.④
以测量坐标系为基准，测量至少三个测量点距离坐标原点的距离和仰角，并将
测量数据转换为数字信号；
15.②
以测量坐标系为基准，对测量数据进行计算，获取三个测量点在测量坐标系中的三维坐标；根据三维坐标数据计算测量层面的倾向和倾角，并对倾向进行修正。
16.通过本发明提供的电子罗盘装置，具有坐标确定部、测量部、数据处理部。调整电子罗盘装置位置，使坐标确定部的电子指南针稳定指向北向方位，坐标确定部的水准气泡处于中间位置，根据重力方向和右手定则，建立坐标系。调整测量部的红外探头射向层面，按下激发开关，测量红外探头至各测点的距离和仰角，并将其转换为数字信号。数据处理部将测量部测量的射向方位角、仰角、距离投影至坐标系，将测量点数据换算为三维坐标数据，根据各测量点坐标数据计算出测面的产状数据并存储。本发明的装置对工作条件要求大大降低，且操作简单、效率高。通过测点相对坐标计算得出的产状信息无读数误差，数据可靠。
附图说明
17.构成本技术的一部分的附图用来提供对发明的进一步说明和理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
18.图1是本发明实施例电子罗盘的结构示意图。
19.图2是本发明实施例电子罗盘的的前视图。
20.图3是本发明实施例电子罗盘的采集箱内部结构示意图。
21.图4是本发明实施例电子罗盘的测量部结构示意图。
22.图5是本发明实施例坐标确定原理图。
23.图6是本发明实施象限划分示意图。
24.图7是本发明实施例岩层三维特性示意图。
25.图8是本发明实施例产状计算原理图。
具体实施方式
26.需要说明的是,在不冲突的情况下,本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
29.本发明提供一种可采集产状的电子罗盘装置，包括坐标确定部、测量部、数据处理部，所述坐标确定部建立测量坐标系，所述测量部完成数据的采集，所述数据处理部完成所述数据的处理、存储和显示。
30.本发明还提供了一种电子罗盘装置的测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
31.①
根据定向方位，建立测量坐标系；
32.②
以测量坐标系为基准，测量至少三个测量点距离坐标原点的距离和仰角，并将测量数据及射向方位角的光信号转化为数字信号；
33.③
以测量坐标系为基准，将测量数字信号进行数据计算，获取三个测量点在测量坐标系中的三维坐标；根据三维坐标数据计算测量地质层面的倾向和倾角，并对倾向进行修正。
34.在野外地质调查中，岩层的三维特性可用走向、倾向、倾角来表示，各名词定义如下：
35.走向：倾斜岩层层面与水平面的交线成为走向线，走向线指示的地理方位为走向，走向一般有两个，即同一条直线的两端。如图7所示，走向就是图中oa方向、ob方向与正北向n 的夹角。
36.倾向：与走向线垂直，向岩层下倾方向引出的射线为倾斜线，如图7中od所示，倾斜线在水平面上投影，指示出的地理方位称为倾向，倾向与走向垂直。如图7所示，倾向就是od＇与正北方向n的夹角。倾向确定后，岩层走向即可确定，但岩层走向确定，倾向不一定确定，因此野外量测中一般测量倾向而不测量走向。
37.倾角：倾斜线与其在水平面上投影线之间的夹角，即图7中的θ。
38.产状有两种表示方法，方位角表示法和象限角表示方法。方位角表示法一般记录倾向和倾角，如205
°
∠65
°
，即倾向为205
°
，倾角65
°
，其走向则为295
°
或115
°
。象限角表示法一般测记走向、倾向和倾角，如n65
°
w/25
°
sw，即走向为北偏西65
°
，倾角为25
°
，向南西倾斜。
39.可采集产状信息的电子罗盘装置实现形式有多种，下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及到内容进行解释和说明。
40.本发明的电子罗盘装置，本装置包括坐标确定部、测量部、数据处理部，各组成部分设置于采集箱中。如图1所示，电子罗盘装置包括把手1，固定于采集箱2下部，便于手持和调整。激发开关7设置于把手上部食指处，方便操作激活，可随时激发测量。采集箱内设置有电源为各器件提供动力，保证各器件在野外正常工作。
41.坐标确定部主要包括电子指南针3和水准气泡4。电子指南针3和水准气泡4固定于采集箱2顶部，方便实时观测调整。电子指南针3可实时测量北向方位角，水准气泡4居中时代表整个装置处于水平位置，以北向为x轴正向，竖直向上为z轴正向，根据右手定则定出 y轴正向，建立坐标系。
42.如图2所示，测量部主要包括红外探头6、连接管8、数字信号处理器9，完成测量数据的采集。测量部设置有三个红外探头，分别设置于三个连接管8中，三个连接管一端汇聚于一点，转动连接于采集箱2的测量端，红外探头6位于连接管8中，且伸出连接管8远离采集箱的一端。三个连接管汇聚的一点作为坐标系的原点，以确保每个红外探头测量都以坐标系原点为基准。通过调整连接管8位置，红外探头6在测量范围内可调整至任意方向。红外探头6内置反射镜、接收镜、倾斜传感器、apd信号转换器等，通过红外探头6实时量测红外探头至测点的直线距离l和仰角α，仰角α当红外探头6向上倾斜时，其为正，当红外探头向下倾斜时，其为负。测量结束后，通过apd信号转换器将光信号转换成电信号，数字信号处理器9将电信号转换成数字信号传输到数据处理部。
43.如图3所示，数据处理部主要由中央数据处理器11、存储卡12、显示器5组成，其中中央数据处理器11处理接收测量部测量的数据，存储卡12存储中央数据处理器11的计算结
果。中央数据处理器11是数据处理部的核心，在接收到测量部的测量数据后，在坐标系内将数据换算为三维坐标数据，然后计算倾向和倾角。计算完成后，中央数据处理器11将计算结果传输至存储卡12和显示器5，方便检查和保存。
44.电子罗盘装置的测量方法，其步骤如下：
45.①
建立坐标系：在野外进行量测时，寻找满足工作的层面，打开设备。调整采集箱位置，使电子指南针3准确指向北向方位角，水准气泡4处于中间位置，以正北方向为x轴正向，向上的竖直方向为z轴正向，根据右手定则判定水平方向y轴正向，建立坐标系。
46.②
测量：坐标系确定后，调整三个红外探头6使之均射向测量层面，按下激发开关7。以测量坐标系为基准，测量红外探头6至测点的距离和仰角，同时记下射向方位角，通过apd 信号转换器将测量的光信号(距离、仰角、射向方位角)转换成电信号，数字信号处理器9 将电信号转换成数字信号传输到数据处理部。
47.③
数据处理。
48.当数字信号传输到数据处理部，中央数据处理器根据射向方位角、仰角、距离将各测点数据投影至坐标系，从而获得测点坐标。现以某一测点坐标确定为例，具体坐标确定原理如图5所示。
49.l和α均为红外探头的实测值，l为红外探头射向层面的直线距离，α为红外探头内倾斜传感器量测的仰角，仰角α当红外探头6向上倾斜时，其为正，当红外探头向下倾斜时，其为负。β为射向方位角，即射向投影与正北方向夹角，则测点坐标(x、y、z)计算如下：
50.x＝l
·
cosα
·
cosβ
51.y＝l
·
cosα
·
sinβ
52.z＝l
·
sinα
53.通过计算分别获取三个测量点的三维坐标，如图8所示，第一测量点坐标为(x1、y1、z1)，第二测量点坐标为(x2、y2、z2)，第三测量点坐标为(x3、y3、z3)。
54.如图8所示，倾向γ，和倾角θ计算原理与公式如下：
55.根据求得的各测量点的三维坐标，分别计算a
x
、a
y
、a
z
的值。
56.a
x
＝(y2‑
y1)(z3‑
z1)
‑
(z2‑
z1)(y3‑
y1)
57.a
y
＝(z2‑
z1)(x3‑
x1)
‑
(x2‑
x1)(z3‑
z1)
58.a
z
＝(x2‑
x1)(y3‑
y1)
‑
(y2‑
y1)(x3‑
x1)
59.倾向γ计算公式如下式：
[0060][0061]
γ'代表倾向γ未修正的值，其为锐角，仅有倾向位于第一象限时，倾向γ等于γ'。
[0062]
在地质测绘中，对方向与方位角规定如下：以正北方向n为0
°
，即为设定为x轴，以北
‑
东
‑
南
‑
西的方向旋转，即90
°
为东向e，180
°
为南向s，270
°
为西向w，360
°
与0
°
重合，均为正北向n，如图6所示。正北向n与正东向e所夹区域为象限i，正东向e与正南向 s所夹区域为象限ii，正南向s与正西向w所夹区域为象限iii，正北向n与正西向w所夹区域为象限iv。
[0063]
为了修正计算出的倾向，需要根据a
x
、a
y
的正负值和计算出的锐角γ'，确定倾向实
际应该所在象限，对倾向γ进行修正，具体修正参看表一：
[0064]
表一：倾向γ修正值
[0065]
a
x
a
y
象限倾向γ++iγ
’‑
+ii180
°‑
γ
’‑‑
iii180
°
+γ’+
‑
iv360
°‑
γ’[0066]
倾角θ计算公式如式(2)：
[0067][0068]
坐标确定部根据水平和方位值，建立坐标系。测量部通过红外探头测量红外探头到各测量点的距离和仰角，数据处理部将各测量点数据换算为坐标数据，根据各测量点坐标数据计算出测面的产状数据并存储。
[0069]
本发明的电子罗盘装置，同时操作与记录不受外界条件制约，测量岩层产状时，仅需很小的工作面即可进行量测。测量红外探头与连接管相连，可根据现场情形任意调整测点，有效扩大了量测范围。本发明的电子罗盘装置对工作条件要求降低，且操作简单、效率高。较传统量测方式，通过测点相对坐标计算得出的产状信息无读数误差，结果更为可靠。本发明的电子罗盘装置体积小、易携带等特点，对于野外工作而言十分便利。