一种测量管道虚拟中心坐标的标靶装置及测量方法

本方案属于测绘工程及测绘教学，具体涉及一种测量管道虚拟中心坐标的标靶装置及测量方法。

背景技术：

1、因钢结构中钢管均为中空，其理论的中心点是虚拟存在的，常规测量方式无法测量该点坐标，在测绘生产和测绘教学中存在困难。

2、尽管目前已有通过采集大量钢管外表皮数据点利用自编程软件进行拟合推算钢管中心点的技术，但是时效性及耗费费用较高，对测量人员素质经验要求较高，不利于铺开推广。因此，有必要发明一种简单便携的管道虚拟中心坐标测量标靶装置及测量方法来满足生产和教学。

技术实现思路

1、本方案旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种测量管道虚拟中心坐标的标靶装置，用于解决虚拟中心坐标测量要求高、耗时长等问题。

2、为了解决上述技术问题，采取下述技术方案：

3、第一方面，一种测量管道虚拟中心坐标的标靶装置，包括标靶、水准器、量角器、指针和基座，且具有基准面和虚拟平面，其中基准面形成于基座，测量时基准面贴合于被测管道外壁，被测管道的轴位于虚拟平面内；量角器设置于基座且平行于虚拟平面，指针的一端转动连接于基座，另一端固定有标靶，水准器固定于标靶和/或指针；指针的转动轴垂直于虚拟平面且穿过量角器的中心，水准器的轴平行于标靶的靶心到指针的转动轴的垂线段。

4、本方案通过设置于基座上的量角器、可相对基座转动的指针以及确保指针处于竖直方向的水准器来获知被测管道与竖直方向的夹角，进而根据靶心坐标以及勾股定理准确计算被测管道的虚拟中心坐标。该装置轻巧便携、容易安装、操作灵活、使用场景广泛，不仅可以测量恒径管道的虚拟中心，而且可以测量变径管道的虚拟中心，尤其适用应用场景复杂的海洋钢结构的虚拟中心测量。

5、量角器用于读取指针(标靶靶心到指针转动轴的垂线段)与被测管道外壁(被测管道外壁与虚拟平面的交线)的夹角，以便根据勾股定理计算虚拟中心的坐标。基准面平行于量角器的零刻度线，以便快速、直接地读取指针与被测管道外壁的夹角。

6、水准器可以是圆水准器，也可以是管水准器，用于确保标靶靶心到指针转动轴的垂线段、指针以及虚拟平面垂直于水平面，以便建立便于计算虚拟中心坐标的三维坐标系。便于计算虚拟中心坐标的三维坐标系的x轴平行于水平面、y轴垂直于虚拟平面，而被测管道的轴(包括被测虚拟中心)位于虚拟平面内，因此可以根据设定的靶心的y坐标及其与虚拟平面的距离计算被测虚拟中心的y坐标，从而简化虚拟中心坐标的计算。确保被测管道的轴(包括被测虚拟中心)位于虚拟平面内的方案有如下几种。

7、第一种，基座设有对准机构，用于对准被测管道的外部标记。对准机构包括弯管和反射镜，弯管开设于基座，一端通向基座的基准面，另一端通向基座的外露面，反射镜设置于弯管的转角。优选地，弯管通向基座外露面的一端设有瞄准镜，以便更精确地瞄准被测管道的外部标记，从而提高虚拟中心坐标的测量准确性。

8、第二种，基座垂直于基准面的面设有对准记号，用于对准被测管道的外部标记。

9、第三种，基座的基准面设为弧面、阴角面等具有自动找准功能的结构。

10、其中，被测管道的外部标记可以是出厂时已经标好在外部的0度线与180度线，还可以是提前打好的冲样点。

11、基座可以通过磁力吸附、抱箍等使标靶装置定位于被测管道。对于前者，基座中埋设有靠近其基准面的两组磁铁，该两组磁铁对称分布于虚拟平面两侧，不仅可以使标靶装置定位于被测管道，而且有利于实现自动找准，使被测管道的轴(包括被测虚拟中心)位于虚拟平面内。每组磁铁呈线形设置，可以是一块平行于虚拟平面的条形磁铁，也可以是平行于虚拟平面的呈线形分布的多块磁铁。

12、指针可伸缩且标有用于读取靶心与转动轴距离的刻度线。具体而言，指针包括第一分部和第二分部，第一分部的一端插接第二分部的一端，两者之间连接有弹簧和紧固件，使得指针可伸缩，其长度可调节，从而调节标靶的高度。第一分部的表面标有刻度线，以便直接读取靶心与转动轴之间的距离。

13、第二方面，一种测量管道虚拟中心坐标的方法，包括如下步骤：

14、将如权利要求1～8任一项所述的测量管道虚拟中心坐标的标靶装置安装于被测管道外壁上，通过水准器确保所述标靶的靶心到所述指针的转动轴的垂线段垂直于水平面，通过量角器读取指针与被测管道外壁之间的夹角α；

15、采用全站仪建立x轴平行于水平面、y轴垂直于所述虚拟平面的三维坐标系，并采集所述标靶的靶心坐标a(a，b，c)；

16、根据以下公式计算被测管道的虚拟中心坐标p(x，y，z)；

17、x＝a+f·cosα+r·cos(α+β)

18、y＝b+d

19、z＝c－e－f·sinα－r·sin(α+β)

20、其中，d为靶心与虚拟平面的距离，e为靶心与转动轴的距离，f为转动轴与被测管道的距离，β为被测管道的锥度的二分之一，r为被测管道在被测虚拟中心处的半径。

21、与现有技术相比，本方案的有益效果为：通过设置于基座上的量角器、可相对基座转动的指针以及确保指针处于竖直方向的水准器来获知被测管道与竖直方向的夹角，进而根据靶心坐标以及勾股定理准确计算被测管道的虚拟中心坐标。标靶装置轻巧便携、容易安装、操作灵活、使用场景广泛，不仅可以测量恒径管道的虚拟中心，而且可以测量变径管道的虚拟中心，尤其适用应用场景复杂的海洋钢结构的虚拟中心测量。

技术特征：

1.一种测量管道虚拟中心坐标的标靶装置，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的测量管道虚拟中心坐标的标靶装置，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的测量管道虚拟中心坐标的标靶装置，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的测量管道虚拟中心坐标的标靶装置，其特征在于，

5.根据权利要求1～4任一项所述的测量管道虚拟中心坐标的标靶装置，其特征在于，

6.根据权利要求1～4任一项所述的测量管道虚拟中心坐标的标靶装置，其特征在于，

7.根据权利要求1～4任一项所述的测量管道虚拟中心坐标的标靶装置，其特征在于，

8.根据权利要求1～4任一项所述的测量管道虚拟中心坐标的标靶装置，其特征在于，

9.一种测量管道虚拟中心坐标的方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本方案属于测绘工程及测绘教学技术领域，公开了一种测量管道虚拟中心坐标的标靶装置及测量方法。标靶装置包括标靶、水准器、量角器、指针和基座，且具有基准面和虚拟平面，其中基准面形成于基座，测量时基准面贴合于被测管道外壁，被测管道的轴位于虚拟平面内；量角器设置于基座且平行于虚拟平面，指针的一端转动连接于基座，另一端固定有标靶，水准器固定于标靶和/或指针；指针的转动轴垂直于虚拟平面且穿过量角器的中心，水准器的轴平行于标靶的靶心到指针的转动轴的垂线段。利用该标靶装置测量管道虚拟中心坐标，不仅可以测量恒径管道的虚拟中心，而且可以测量变径管道的虚拟中心，尤其适用应用场景复杂的海洋钢结构的虚拟中心测量。

技术研发人员：金剑
受保护的技术使用者：内蒙古科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15