CN103673893B - 管道三向位移激光测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管道三向位移激光测量装置，包括：激光发生装置：所述激光发生装置包括激光测距仪、夹持架和固定管夹，所述固定管夹上设有支撑杆，所述夹持架转动连接在所述支撑杆上，所述夹持架上装设所述测距仪，所述测距仪绕夹持架的定位轴旋转；激光接收装置：所述激光接收装置包括支撑台架、激光接收面板、测量激光接收面板旋转角度的角度测量器以及数据处理、存储、通信模块；数据分析装置：读取所述激光接收装置的数据，并分析测量数据，进行坐标空间变换，输出管道三向位移值并绘制移动轨迹图。本发明装配调试简单、测量精度高、数据自动化处理，能够实现自动、实时、远距离测量管道三向位移，可靠性高，环境适应力强。

Description

管道三向位移激光测量装置及方法

技术领域

本发明涉及智能信息测量技术领域，尤其涉及一种测量高精度、高可靠性、环境适应能力强的管道三向位移激光测量装置及方法。

背景技术

管道三向位移是进行管道应力分析的重要参数，同时也是进行管道设计验证的重要手段，并且是管道进行改造的重要依据。管道的实际位移的正确与否直接关系着管道的使用安全与使用寿命。

目前管道三向位移主要采用机械式相对位移测量法，即在与管道轴线垂直方向上固定一根只能垂直向移动的钢针，针尖下方放置一块绘制有坐标系的铝板，钢针随着管道移动时针尖在铝板上绘出管道移动轨迹，并同时定期测量钢针在垂直方向上的长度变化，从而获得三向位移信息。该方法设备简单，操作方便易行；缺点是读数误差大、可靠性不高，不能进行自动、实时地监测。而且受管道空间位置影响大，只能测量离地面或墙面距离较近的管道。使得高精度、自动、实时与远距离测量管道三向位移成为了难题。

基于上述背景，函待一种解决现有测量方法的问题与限制的管道三向位移测量装置及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是针对现有技术存在的上述不足，提供一种管道三向位移激光测量装置及方法，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种管道三向位移激光测量装置，包括：激光发生装置：所述激光发生装置包括激光测距仪、夹持架和固定管夹，所述固定管夹上设有支撑杆，所述夹持架转动连接在所述支撑杆上，所述夹持架上装设所述测距仪，所述测距仪绕夹持架的定位轴旋转；激光接收装置：所述激光接收装置包括支撑台架、激光接收面板、测量激光接收面板旋转角度的角度测量器以及数据处理、存储、通信模块；数据分析装置：读取所述激光接收装置的数据，并分析测量数据，进行坐标空间变换，输出管道三向位移值并绘制移动轨迹图。

进一步地，所述夹持架通过一法兰结构连接在所述支撑杆上，所述法兰结构的法兰面沿圆周均匀分布有多个法兰孔。

进一步地，所述夹持架上连接有一锁紧装置，锁紧装置上设置一弧形滑槽，所述弧形滑槽内穿设用于固定夹持架的锁紧螺栓。

进一步地，以激光接收面板的中心为原点，与管道轴向平行的水平方向为X轴，Y轴方向与X轴方向垂直构成XOY平面，垂直于XOY平面指向激光来源方向为Z轴，构成XYZ三维坐标系；管道轴向方向为U轴，U轴与X轴平行，方向相同，U轴与V轴、W轴构成UVW右手直角坐标系；激光发射器发出光束垂直射向XOY平面构成测量点，所述数据分析装置进行坐标空间变换的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}^{\text{'}}=x^{\text{'}}\\ V^{\text{'}}=y^{\text{'}}\cos \mathrm{\θ}\\ W^{\text{'}}=z^{\text{'}}\cos \mathrm{\θ}-y^{\text{'}}\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中，XOY平面与竖直方向的夹角为θ，x′,y′,z′为测量点在XYZ坐标系中的迹线方程；U′、V′、W′为空间坐标变换后的迹线方程。

本发明还提供一种管道三向位移激光测量装置的测量方法，包括以下步骤：1）将管夹固定在测量点的管道上，装配激光发生装置，调整激光发射角度；2）装配激光接收装置，调整激光接收装置的角度，激光接收面板与激光发射方向垂直，激光接收面板上X轴方向与管道轴向平行，通过角度测量器测量激光接收面板与竖直方向的夹角；3）调整完成后，激光测距仪发射激光测量到激光接收面板的距离值及测量时间，测量数据经激光接收装置处理并存储；4）数据分析装置通过通信模块读取存储在激光接收装置中的测量数据进行分析，进行坐标空间变换，输出管道三向位移值并绘制移动轨迹图。

进一步地，所述步骤1）中，所述夹持架通过一法兰结构连接在所述支撑杆上，所述法兰结构的法兰面沿圆周均匀分布有多个法兰孔，连接不同的法兰孔调整激光发射角度。

进一步地，所述步骤1）中，所述夹持架上还连接有一锁紧装置，锁紧装置上设置一弧形滑槽，所述弧形滑槽内穿设用于固定夹持架的锁紧螺栓，调整锁紧螺栓在弧形滑槽的的固定位置调整激光发射角度。

进一步地，所述步骤4）中，以激光接收面板的中心为原点，与管道轴向平行的水平方向为X轴，Y轴方向与X轴方向垂直构成XOY平面，垂直于XOY平面指向激光来源方向为Z轴，构成XYZ三维坐标系；管道轴向方向为U轴，U轴与X轴平行，方向相同，U轴与V轴、W轴构成UVW右手直角坐标系；激光发射器发出光束垂直射向XOY平面构成测量点，所述数据分析装置进行坐标空间变换的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}^{\text{'}}=x^{\text{'}}\\ V^{\text{'}}=y^{\text{'}}\cos \mathrm{\θ}\\ W^{\text{'}}=z^{\text{'}}\cos \mathrm{\θ}-y^{\text{'}}\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中，XOY平面与竖直方向的夹角为θ，x′,y′,z′为测量点在XYZ坐标系中的迹线方程；U′、V′、W′为空间坐标变换后的迹线方程。

通过以上技术方案，本发明相较于现有技术具有以下技术效果：本发明管道三向位移激光测量装置装配调试简单、测量精度高、数据自动化处理，能够实现自动、实时、远距离测量管道三向位移，可靠性高，环境适应力强，尤其适用于动力管道、供热管道和化工管道等对管道三向位移控制要求高的管线。

附图说明

图1为本发明管道三向位移激光测量装置的结构示意图；

图2为本发明管道三向位移激光测量装置的改变测量角度的状态示意图；

图3为本发明空间坐标变换示意图。

元件标号说明：

1管夹

11支撑杆

2夹持架

21定位轴

22法兰结构

23锁紧装置

24锁紧螺栓

31激光发生器

32激光控制面板

33激光测距仪遥控器

41激光接收面板

42数据处理模块

43通信模块

44角度测量器

45支撑台架

5激光

6数据分析装置

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

参阅图1所示，本发明管道三向位移的激光测量装置由激光发生装置、激光接收装置和数据分析装置组成，激光发生装置中的激光测距仪发射出激光束，射向激光接收器，激光接收器感光后发出信号，传输到数据处理模块，经过处理后得到相关位移测量数据，同时激光测距仪测得与激光接收器之间的距离数据。测量数据通过数据分析装置进行分析，经过空间位置变换得到管道三向位移信息，并绘制管道位移轨迹图。

激光发生装置包括：固定管夹1、水准泡、支撑杆11、夹持架2、定位轴21、法兰结构22、锁紧装置23、锁紧螺栓24、激光测距仪。

固定管夹1通过螺栓固定在管道上，管夹上设有支撑杆11，用于通过法兰结构22与夹持架2连接，法兰结构22上有多个在圆周上均匀分布的法兰孔，通过法兰结构不同法兰孔之间的配合固定，可以改变夹持架2的角度，从而实现激光发射方向与管道轴线方向角度的改变。激光测距仪可以绕着夹持器定位轴21进行旋转，改变激光的发射方向。夹持器上设有锁紧装置23，锁紧装置23上设置一弧形滑槽，弧形滑槽内穿设锁紧螺栓24，调整锁紧螺栓24在弧形滑槽的的固定位置固定激光测距仪进而调整激光发射角度。

激光接收装置包括：激光接收面板41、水准泡、角度测量器44、数据处理模块42、通信模块43、电源及三脚支撑台架45组成。

三脚支撑台架45用于支撑整个激光接收装置，角度测量器44用于测量激光接收面板的旋转角度。激光接收面板41用于接收激光束信号，并将信号传送到数据处理模块42，数据处理完成后进行存储或通过通信模块43与外部设备进行传输。

数据分析装置6采用计算机即可。

以下结合具体测量方法做进一步描述：

参阅图2所示，使用时，将固定管夹1固定在测量点的管道上，夹持架2通过法兰结构22与支撑杆11连接，转动法兰面通过不同的法兰孔连接配合，达到调整激光发射角度的目的，使得测量装置对空间适应能力更强。激光测距仪通过定位轴21与激光测距仪夹持架2相连，激光测距仪夹持架2上有激光发射器角度调整装置23，可通过锁紧螺栓24将激光发生器调整到一个有利于测量的合适角度。

激光测距仪固定后激光发射角度随之固定，通过调整激光接收装置使得激光接收面板41与激光发射方向垂直，激光接收面板41上x轴方向与管道轴向平行，通过角度测量器44可测量激光接收面板41与竖直方向的夹角。

调整完成后，通过激光控制面板32或激光测距仪遥控器33控制激光发生器31发射激光5，以测量到激光接收面板41的距离值及测量时间，并将测量数据传输到激光接收装置中进行存储。激光接收面板41接收激光信号传输到数据处理模块42，进行数据处理后记录激光信号在激光接收面板41上的位置及接收时间，并存储数据。

数据分析装置6通过通信模块43的无线通信功能读取存储在激光接收装置中的数据，并对测量数据进行分析，输出管道三向位移值并绘制移动轨迹图。

数据分析装置6的核心功能是进行坐标空间变换。XYZ三维坐标系以激光接收面板的中心为原点，与管道轴向平行的水平方向为X轴，Y轴方向与X方向垂直在面板平面构建XOY坐标系，垂直于XOY平面指向激光来源方向为Z轴。UVW坐标系以管道轴向方向为U轴，U轴与X轴平行，方向相同。U轴与V、W两轴构成UVW右手直角坐标系。如图3所示，图中X轴与U轴垂直YOZ平面向外，激光发射器发出光束垂直射向XOY平面构成测量点，XOY平面与竖直方向的夹角为θ。假设测量点随着管道的移动在XYZ坐标系中的迹线方程为Ψ（x’,y’,z’），进行空间坐标变换后迹线方程为Φ（U’,V’,W’）。则坐标变换的方程可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}^{\text{'}}=x^{\text{'}}\\ V^{\text{'}}=y^{\text{'}}\cos \mathrm{\θ}\\ W^{\text{'}}=z^{\text{'}}\cos \mathrm{\θ}-y^{\text{'}}\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

综上所述，本发明管道三向位移激光测量装置装配调试简单、测量精度高、数据自动化处理，能够实现自动、实时、远距离测量管道三向位移，可靠性高，环境适应力强，尤其适用于动力管道、供热管道和化工管道等对管道三向位移控制要求高的管线。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种管道三向位移激光测量装置，其特征在于，包括：

激光发生装置：所述激光发生装置包括激光测距仪、夹持架(2)和固定管夹(1)，所述固定管夹(1)上设有支撑杆(11)，所述夹持架(2)转动连接在所述支撑杆(11)上，所述夹持架(2)上装设所述测距仪，所述测距仪绕夹持架的定位轴(21)旋转；

激光接收装置：所述激光接收装置包括支撑台架(45)、激光接收面板(41)、测量激光接收面板旋转角度的角度测量器(44)以及数据处理、存储、通信模块；

数据分析装置(6)：读取所述激光接收装置的测量数据，并分析测量数据，进行坐标空间变换，输出管道三向位移值并绘制移动轨迹图。

2.根据权利要求1所述的管道三向位移激光测量装置，其特征在于，所述夹持架(2)通过一法兰结构(22)连接在所述支撑杆(11)上，所述法兰结构(22)的法兰面沿圆周均匀分布有多个法兰孔。

3.根据权利要求1所述的管道三向位移激光测量装置，其特征在于，所述夹持架(2)上连接有一锁紧装置(23)，锁紧装置(23)上设置一弧形滑槽，所述弧形滑槽内穿设用于固定夹持架(2)的锁紧螺栓(24)。

4.根据权利要求1所述的管道三向位移激光测量装置，其特征在于，以激光接收面板的中心为原点，与管道轴向平行的水平方向为X轴，Y轴方向与X轴方向垂直构成XOY平面，垂直于XOY平面指向激光来源方向为Z轴，构成XYZ三维坐标系；管道轴向方向为U轴，U轴与X轴平行，方向相同，U轴与V轴、W轴构成UVW右手直角坐标系；激光发射器发出光束垂直射向XOY平面构成测量点，所述数据分析装置进行坐标空间变换的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}^{\′}=x^{\′}\\ V^{\′}=y^{\′}cos\mathrm{\θ}\\ W^{\′}=z^{\′}cos\mathrm{\θ}-y^{\′}sin\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中，XOY平面与竖直方向的夹角为θ，x′,y′,z′为测量点在XYZ坐标系中的迹线方程；U′、V′、W′为空间坐标变换后的迹线方程。

5.根据权利要求1所述的管道三向位移激光测量装置，其特征在于，所述激光测距仪包括激光发生器(31)、激光控制面板(32)以及激光测距仪遥控器(33)。

6.一种权利要求1所述的管道三向位移激光测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所述固定管夹(1)固定在测量点的管道上，装配激光发生装置，调整激光发射角度；

2)装配激光接收装置，调整激光接收装置的角度，激光接收面板与激光发射方向垂直，激光接收面板X轴方向与管道轴向平行，通过角度测量器测量激光接收面板与竖直方向的夹角；

3)调整完成后，激光测距仪发射激光测量到激光接收面板的距离值及测量时间，测量数据经激光接收装置处理并存储；

4)数据分析装置通过通信模块读取存储在激光接收装置中的测量数据进行分析，进行坐标空间变换，输出管道三向位移值并绘制移动轨迹图。

7.根据权利要求6所述的管道三向位移激光测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述夹持架(2)通过一法兰结构(22)连接在所述支撑杆(11)上，所述法兰结构的法兰面沿圆周均匀分布有多个法兰孔，连接不同的法兰孔调整激光发射角度。

8.根据权利要求6所述的管道三向位移激光测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述夹持架(2)上还连接有一锁紧装置(23)，锁紧装置(23)上设置一弧形滑槽，所述弧形滑槽内穿设用于固定夹持架的锁紧螺栓(24)，调整锁紧螺栓(24)在弧形滑槽的固定位置调整激光发射角度。

9.根据权利要求6所述的管道三向位移激光测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤4)中，以激光接收面板的中心为原点，与管道轴向平行的水平方向为X轴，Y轴方向与X轴方向垂直构成XOY平面，垂直于XOY平面指向激光来源方向为Z轴，构成XYZ三维坐标系；管道轴向方向为U轴，U轴与X轴平行，方向相同，U轴与V轴、W轴构成UVW右手直角坐标系；激光发射器发出光束垂直射向XOY平面构成测量点，所述数据分析装置进行坐标空间变换的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}^{\′}=x^{\′}\\ V^{\′}=y^{\′}cos\mathrm{\θ}\\ W^{\′}=z^{\′}cos\mathrm{\θ}-y^{\′}sin\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中，XOY平面与竖直方向的夹角为θ，x′,y′,z′为测量点在XYZ坐标系中的迹线方程；U′、V′、W′为空间坐标变换后的迹线方程。