CN101936735A - 无线双计程式地下管线轨迹三维测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双计程式地下管线轨迹三维测量仪，由入管检测下位机和管口计程器构成的机械结构，通过测量牵引绳行走的路程间接测量入管检测下位机的行程，所述的入管检测下位机，由前扶正机构、仪器仓和后扶正机构组成，所述的前、后扶正机构通过接口与仪器仓连接，前扶正机构与测量牵引绳连接；其中，扶正机构由至少三组以滚轮为转动支点的滚轮支架沿轴向均布且滚轮支架的二端连接一弹簧轴构成笼爪式径向伸缩机构，该径向伸缩机构一端设置固定接口连接仪器仓；当笼爪式径向伸缩机构的另一端设置与牵引绳连接的连接部件时，作为正扶正器，而另一笼爪式径向伸缩机构作为后扶正器。密封的管状仪器仓和爪式径向伸缩机构保证仪器轴和待测管线间保持较高的同轴度。

Description

无线双计程式地下管线轨迹三维测量仪

技术领域

本发明涉及一种地下管线测量仪，尤其是指一种无线双计程式地下管线轨迹三维测量仪，主要用于内径90～450mm的非开挖施工的地下管道验收检测，也可用于该内径范围内的其它管线的空间轨迹测量。

背景技术

目前我国非开挖定向穿越敷管技术迅速发展，水电、煤气、通讯、信息新建管道均采用非开挖施工技术。但长期以来，定向穿越控向技术和随钻标绘系统误差较大，特别是工程竣工后的检测、测量技术滞后，造成工程竣工资料误差失真。地下管线的走向及埋深等情况很难辨明，造成管线竣工验收困难，地下空间资历源综合利用难以达到实效。因此对错综复杂的各类型地下管线，精确测量，实时描绘，准确掌握其空间三维轨迹十分重要，它不仅是评价工程质量的指标，更重要的是为社会提供服务，能为后续新建管线的轨迹设计和施工提供依据，以避免管线相交或发生地下管线事故。

目前国内获得管线轨迹的方法主要有两种：一是将导向碳棒在竣工管道内拖行一次，同时在地面定点，然后用全站仪或GPS测量这些点的坐标，最后形成轨迹；二是直接用导向孔施工时的导向数据形成轨迹。这两种方法都有不足，前者费时费事且精度不高，后者数据可信性和准确性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种地下管线测量仪，操作简单，能对地下管线的进行高效率，高精度的测量。

为解决上述技术问题，本发明提供下述技术方案：一种双计程式地下管线轨迹三维测量仪，由入管检测下位机和管口计程器构成的机械结构，通过测量牵引绳行走的路程间接测量入管检测下位机的行程，其中，

所述的入管检测下位机，由前扶正机构、仪器仓和后扶正机构组成，所述的前、后扶正机构通过接口与仪器仓连接，前扶正机构与测量牵引绳连接，滚轮大小随测量管线内径增加而增大尺寸；为方便安装，不同大小的前后扶正器与仪器仓的接口相同，因此只需更换前后扶正器，就可以完成相应测量；

所述的入管检测下位机，由前扶正机构、仪器仓和后扶正机构组成，所述的前、后扶正机构通过接口与仪器仓连接，后扶正机构与测量缆绳连接，其中，所述的扶正机构由至少三组以滚轮为转动支点的滚轮支架沿轴向均布且滚轮支架的二端连接一弹簧轴构成笼爪式径向伸缩机构，该径向伸缩机构一端设置固定接口连接仪器仓；当笼爪式径向伸缩机构的另一端设置与牵引绳连接的连接部件时，作为正扶正器，而另一笼爪式径向伸缩机构作为后扶正器；

在上述方案基础上，所述的滚轮支架由二个连杆及二连杆间的滚轮构成。

在上述方案基础上，后扶正器中一滚轮支架的滚轮作为测程轮均匀分布6个沉孔，内部安装霍尔磁钢，用于辅助计程。

在上述方案基础上，所述的用于穿牵引绳的连接部件为U形环，通过连接轴与笼爪式径向伸缩机构连接。

在上述方案基础上，所述的弹簧轴由一相连接的粗弹簧和一细弹簧组成，连接轴通过调节螺母与一较笼爪式径向伸缩机构中的粗弹簧连接。所述的粗、细弹簧用于使扶正机构能自适应管道的内径。

在上述方案基础上，所述的扶正机构与粗弹簧的一侧设有一滑动块。

在上述方案基础上，防止行走打滑，所述的滚轮上设有防滑橡胶圈。

在上述方案基础上，所述的仪器仓外观为管状结构，各连接部位采用密封设计，密封耐压0.3MPa，内部安装电路板及传感器。

在上述方案基础上，所述的传感器包括姿态传感器组和计程传感器组，姿态传感器组通过A/D转换器与微处理器连接；计程传感器组通过计程模块与微处理器连接，微处理器将数据存储或与PC机进行数据交换，可充电电池及电源电路，可采用U盘存储。

在上述方案基础上，所述的姿态传感器组采用双轴陀螺式角速度传感器，所述的计程传感器组采用加速度计。

姿态测量传感器及辅助电路用于测量管线待测点相对水平面的姿态。双计程是指管口光电编码器计程和入管检测下位机上安装多霍尔元件方式计程，用于测量入口点到待测点的路程。由于路程的测量是恢复管道空间姿态的关键参数之一，双计程无疑大大提高计程精度。各传感器测量的数据合理融合，互相校正，并通过自行研究的算法，合成待测点的空间位置信息。最后将所有点的空间位置信息拟合成待测管线的空间轨迹曲线，并形成报表存档。

本发明密封的管状仪器仓和爪式径向伸缩机构保证仪器轴和待测管线间保持较高的同轴度；采用先进的双轴陀螺式角速度传感器和加速度计进行方位角和俯仰角测量，不受周围磁场环境影响；双路程计量器能更精确的测量入口至测点的路程；测量数据可采用U盘存储，数据转移更加容易；在普通PC机上，采用地下管线软件算法，重现地下管线的精确三维轨迹。

附图说明

图1为入管检测下位机结构图

图2为工作原理电路图

图3为连接轴零件图

图4为图3连接轴零件图之右视图

图5为滑动块零件图

图中标号：

1——连接轴  2——调节螺母  3——支架一  4——支架二  5——仪器仓  6——销  7——螺栓  8——螺母  9——轴承   10——滑动块  11——细弹簧  12——橡胶圈  13——滚轮  14——密封圈  15——粗弹簧 16——U形环。

具体实施方式

请参阅图1为入管检测下位机结构图，图2为工作原理电路图，图3为连接轴零件图，图4为图3连接轴零件图之右视图和图5为滑动块零件图所示：

本发明综合运用单片机、双轴陀螺式角速度传感器、加速度计、旋转编码器，霍尔元件等进行数据收集，机械结构部分由入管检测下位机和管口计程器构成，其中：

所述的入管检测下位机，在机械结构上主要由前扶正机构、仪器仓5和后扶正机构组成，所述的前、后扶正机构通过接口与仪器仓连接，后扶正机构与测量缆绳连接，其中，所述的扶正机构由至少三组以滚轮为转动支点的滚轮支架沿轴向均布且滚轮支架的二端连接一弹簧轴构成笼爪式径向伸缩机构，该径向伸缩机构一端由销6固定连接仪器仓5；当笼爪式径向伸缩机构的另一端设置与牵引绳连接的连接部件时，作为正扶正器，而另一笼爪式径向伸缩机构作为后扶正器；

所述的前、后扶正机构结构相似，由连接轴1、调节螺母2、支架一3、支架二4、滑动块10、粗弹簧15、细弹簧11、滚轮13组成、不同大小的前后扶正器与仪器仓5的接口是相同的，因此只需更换前、后扶正器，就可以完成相应测量；

滚轮支架单元中，轴承9贯穿支架一3、支架二4的连接部作为转动支点，滚轮13通过螺栓7、螺母8固定在转动支点处。

所述的前扶正器前端装U形环16，用于穿牵引绳；

所述的扶正机构与粗弹簧15的一侧设有一滑动块10，保证滑动块在笼爪式径向伸缩机构沿弹簧轴的顺利滑动。

所述的滚轮13为三个一组，周向均匀分布，用于探测头在管道中行走，采用防滑橡胶圈12，防止行走打滑，且大小随测量管线内径增加而增大尺寸；

所述的后扶正器三个滚轮13的其中一轮（称为测程轮）一侧加工均匀分布的6个沉孔，内部安装霍尔磁钢，用于辅助计程；

所述的粗弹簧15、细弹簧11用于使扶正机构能自适应管道的内径；

所述的仪器仓5外观为管状结构，各连接部位都进行密封设计，密封耐压0.3MPa，内部安装电路板及传感器；

所述的管口计程器主要由计程大轮、扶正小轮轮组和防打滑机构等构成，通过测量缆绳行走的路程间接测量入管检测下位机的行程，计程数据和入管检测下位机辅助计程数据比较处理后得到入口点至待测点的实际路程。

电路部分如图2所示，运用多传感器融合技术，包括各种姿态测量传感器、双计程传感器和相应的辅助电路组合，USB转换模块，可充电电池及电源电路。姿态测量传感器及辅助电路用于测量管线待测点相对水平面的姿态。双计程是指管口光电编码器计程和入管检测下位机上安装多霍尔元件方式计程，用于测量入口点到待测点的路程。由于路程的测量是恢复管道空间姿态的关键参数之一，双计程无疑大大提高计程精度。各传感器测量的数据合理融合，互相校正，并通过自行研究的算法，合成待测点的空间位置信息。最后将所有点的空间位置信息拟合成待测管线的空间轨迹曲线，并形成报表存档。

当要通过管道口径小于扶正器自然张开口径时，粗弹簧15压缩，细弹簧11拉伸，压缩和拉伸的长度随管道口径自动调节，保证扶正机构上的滚轮13能始终与管道内壁接触，且探测头的轴线与管道轴线始终保持同轴。当要通过管道口径小于扶正器自然张开口径时，可预先通过调节螺母2调节前后扶正器支架张角，且可保证正反向行走时均没有死点。

具体使用时，通过卷扬机、牵引绳拉动入管检测下位机在管线中由入口点走到出口点，取出存储在U盘中的数据，在PC机上进行数据处理。测量管径按外径110-220,220-350,350-450分别采用不同大径的扶正器与仪器仓连接。经试验表明，本发明显示测量结果水平方向和垂直方向误差小于5‰。

本发明采用先进的双轴陀螺式角速度传感器和加速度计进行方位角和俯仰角测量，不受周围磁场环境影响；双路程计量器能更精确的测量入口至测点的路程；特殊设计的仪器仓和爪式径向伸缩机构保证仪器轴和待测管线间保持较高的同轴度；测量数据采用U盘存储，数据转移更加容易；在普通PC机上，采用自行研究的算法，重现地下管线的精确三维轨迹，对探明非开挖铺设管道的地下的走向及埋深相较于国内现有仪器和设备具有操作简单，高效率，高精度的优势，并具有一定的国际竞争力，市场前景非常广阔。

Claims (10)

1.一种双计程式地下管线轨迹三维测量仪，由入管检测下位机和管口计程器构成的机械结构，通过测量牵引绳行走的路程间接测量入管检测下位机的行程，其特征在于：

所述的入管检测下位机，由前扶正机构、仪器仓和后扶正机构组成，所述的前、后扶正机构通过接口与仪器仓连接，前扶正机构与测量牵引绳连接，其中，

所述的扶正机构由至少三组以滚轮为转动支点的滚轮支架沿轴向均布且滚轮支架的二端连接一弹簧轴构成笼爪式径向伸缩机构，该径向伸缩机构一端设置固定接口连接仪器仓；当笼爪式径向伸缩机构的另一端设置与牵引绳连接的连接部件时，作为正扶正器，而另一笼爪式径向伸缩机构作为后扶正器。

2.根据权利要求1所述的双计程式地下管线轨迹三维测量仪，其特征在于：所述的滚轮支架由二个连杆及二连杆间的滚轮构成。

3.根据权利要求1或2所述的双计程式地下管线轨迹三维测量仪，其特征在于：后扶正器中一滚轮支架的滚轮作为测程轮均匀分布6个沉孔，内部安装霍尔磁钢。

4.根据权利要求1所述的双计程式地下管线轨迹三维测量仪，其特征在于：所述的连接部件为U形环，通过连接轴与笼爪式径向伸缩机构连接。

5.根据权利要求4所述的双计程式地下管线轨迹三维测量仪，其特征在于：所述的弹簧轴由一相连接的粗弹簧和一细弹簧组成，连接轴通过调节螺母与一较笼爪式径向伸缩机构中的粗弹簧连接。

6.根据权利要求3所述的双计程式地下管线轨迹三维测量仪，其特征在于：所述的扶正机构与粗弹簧的一侧设有一滑动块。

7.根据权利要求1或2所述的双计程式地下管线轨迹三维测量仪机构，其特征在于：所述的滚轮上设有防滑橡胶圈。

8.根据权利要求1所述的双计程式地下管线轨迹三维测量仪机构，其特征在于：所述的仪器仓外观为管状结构，各连接部位采用密封设计，密封耐压0.3MPa，内部安装电路板及传感器。

9.根据权利要求8所述的双计程式地下管线轨迹三维测量仪机构，其特征在于：所述的传感器包括姿态传感器组和计程传感器组，姿态传感器组通过A/D转换器与微处理器连接；计程传感器组通过计程模块与微处理器连接，微处理器将数据存储或与PC机进行数据交换。

10.根据权利要求8所述的双计程式地下管线轨迹三维测量仪机构，其特征在于：所述的姿态传感器组采用双轴陀螺式角速度传感器，所述的计程传感器组采用加速度计。

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