CN109631755A - 大型隧洞结构面迹线激光测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大型隧洞内结构面迹线激光测量仪，测量仪本体表面顶部的左侧固定连接有开关，测量仪本体表面顶部的右侧固定连接有水准管，测量仪本体的右侧固定连接有测量仪灯头。本发明通过固体激光器模组、半导体、电池、水准管、测量仪灯头、凸透镜和二维正交光栅相互配合使用下，可解决现有大型隧洞内结构面迹长测量工作中的不足，提高结构面迹线测量效率和精度，满足工程建设及科学研究的需要，克服实际工程中结构面的测量受各种条件限制，如光线、粉尘、工作时间、桩号、安全等无法做到精准测量的问题。

Description

大型隧洞结构面迹线激光测量仪

技术领域

本发明涉及大型隧洞内岩体结构面迹线长度、位置激光测量仪器技术领 域，具体为结构面迹线激光测量仪。

背景技术

岩体内部存在结构面，这是岩体不同于岩石的根本原因。然而结构面大 部分位于岩体内部，因此要研究岩体的稳定性，就必须对结构面出露迹线进 行测量，这是岩体稳定研究的必要手段。结构面迹线长度和位置的测量是一 项重要任务，然而在大型隧洞内，由于实际工程中结构面的测量受各种条件 限制。例如对于高大水电工程隧洞，墙壁高度达20m，隧洞高度大，在爆破条 件下，大型地下洞室中往往会充满大量粉尘，这使人不能长时间停留，不利 于使用精密激光仪器进行测量。另外，大型洞室的墙壁很高，且洞内照明条件有限，不利于人员进行近距离测量。目前对于大型地下洞室节理编录主要 采用工程师现场估测的方法，主要依靠工程师站在地面上估测隧洞墙壁上每 条结构面的起点和交点等分布位置，辅助以卷尺、皮尺配合桩号进行位置确 定，高度以估读为主，这无法真实反映节理迹线的实际位置，易造成误差累 积。这导致工作效率、工作精度、工作安全等无法做到标准，对于进一步的 工程安全性评价有较大风险。本专利建立一种精确、便携、可广泛推广的激 光测量结构面迹长方法，主要通过采用激光网格投影，确定节点坐标，利用 网格对节理端点坐标快速确定，结合投影变换方法，从而来确定节理位置和 迹长。不仅能提高测量时的工作效率，缩短测量时间，而且极大地减小了测 量误差。此外，在黑暗且粉尘较多的洞室中，激光的穿透能力极强，亮度较 高，便于观察测量对象。

发明内容

本发明的目的在于提供克服现有大型隧洞内结构面测量工作中的不足， 提高结构面测量效率和精度，满足工程建设及科学研究的需要。解决在高大 隧洞开挖工程中，结构面的测量受各种条件限制，如光线、时间、桩号、安 全等无法做到精准测量的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：结构面迹线激光测量仪， 包括测量仪本体，所述测量仪本体表面顶部的左侧固定连接有开关，所述测 量仪本体表面顶部的右侧固定连接有水准管，所述测量仪本体的右侧固定连 接有测量仪灯头，所述测量仪灯头内腔的左侧固定连接有二维正交光栅，所 述测量仪灯头内腔的右侧固定连接有凸透镜，所述测量仪本体内腔的左侧固 定连接有电池，所述测量仪本体内腔的左侧固定连接有半导体，所述测量仪 本体内腔的右侧固定连接有固体激光器模组。

优选的，所述二维正交光栅其中一条光栅在正交水准气泡所组成平面中， 所述二维正交光栅其基本原理与一维光栅衍射相同，都为单缝衍射和缝间干 涉共同作用的结果，不同之处在于二维正交光栅经过衍射之后的图案并非如 一维光栅那样为明暗相间的条纹，而是格栅图形。

优选的，所述将二维正交光栅素描区域划分为网格，有利于二维正交光 栅精准快速素描，减小了以往人为估测产生的误差，采用激光作为光源，有 较强的穿透性，在一些烟尘较大，光线暗淡工作地点，如施工中的大型地下 洞室，能够不受影响继续工作。

优选的，所述装置结构为532nm绿色激光发射器，通过激光发射器发射 532nm绿色激光经过二维正交光栅衍射在隧洞墙壁上形成规则的网格图。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明通过固体激光器模组、半导体、电池、水准管、测量仪灯头、 凸透镜和二维正交光栅相互配合使用，可克服现有结构面测量工作中的不足， 提高结构面测量效率和精度，满足工程建设及科学研究的需要，解决实际工 程中结构面测量受各种条件限制，如光线、时间、桩号、安全等无法做到精 准测量的问题。

2、本发明通过二维正交光栅，可对现有测量仪本体起到更加精准地测量 作用，这样测量仪本体在使用的过程中增加了精准度，避免了测量仪本体在 使用的过程中出现测量精准度下降的现象，通过现有的二维正交光栅起到减 少以往人为估算产生的误差，采用激光作为光源，有较强的穿透性，在一些 烟尘较大，光线暗淡工作地点如施工中的地下大型洞室，能够不受影响继续 工作，这样的二维正交光栅在使用的过程中效果更好，避免了二维正交光栅 在使用过程中出现无法工作的现象，通过绿色激光发射器，可使二维正交光栅衍射在测量断面上形成规则的格栅图，这样二维正交光栅在使用的过程中 效果更好，避免了二维正交光栅在使用的过程中出现误差的现象。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本实用俯视示意图。

图3为结构面迹线测量仪效果图(20×20m)。

图中：1测量仪本体、2固体激光器模组、3半导体、4电池、5水准管、 6测量仪灯头、7凸透镜、8二维正交光栅、9开关。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，结构面迹线激光测量仪，包括测量仪本体1，测量仪本体 1表面顶部的左侧固定连接有开关9，测量仪本体1表面顶部的右侧固定连接 有水准管5，测量仪本体1的右侧固定连接有测量仪灯头6，测量仪灯头6内 腔的左侧固定连接有二维正交光栅8，二维正交光栅8其中一条光栅在正交水 准气泡所组成平面中，二维正交光栅8其基本原理与一维光栅衍射相同，都 为单缝衍射和缝间干涉共同作用的结果，不同之处在于二维正交光栅8经过 衍射之后的图案并非如一维光栅那样为明暗相间的条纹，而是格栅图形，通 过二维正交光栅8，可对现有测量仪本体1起到更加精准的测量作用，这样测 量仪本体1在使用的过程中增加了精准度，避免了测量仪本体1在使用的过 程中出现测量精准度下降的现象，测量仪灯头6内腔的右侧固定连接有凸透 镜7将二维正交光栅8素描区域划分为网格，有利于二维正交光栅8精准快 速素描，减小了以往靠估算产生的误差，采用激光作为光源，有较强的穿透 性，在一些烟尘较大，光线暗淡工作地点如施工中的地下洞室，能够不受影响继续工作，这样的二维正交光栅8在使用的过程中效果更好，避免了二维 正交光栅8在使用的过程中出现工作不了的现象，测量仪本体1内腔的左侧 固定连接有电池4，测量仪本体1内腔的左侧固定连接有半导体3，装置结构 有532nm绿色激光发射器，通过激光发射器发射532nm绿色激光经过二维正 交光栅8衍射在测量断面上形成规则的格栅图，通过绿色激光发射器，可对 现有的二维正交光栅8起到衍射在测量断面上形成规则的格栅图，这样二维 正交光栅8在使用的过程中效果更好，避免了二维正交光栅8在使用的过程 中出现误差的现象，测量仪本体1内腔的右侧固定连接有固体激光器模组2。

使用时，通过固体激光器模组2、半导体3、电池4、水准管5、测量仪 灯头6、凸透镜7和二维正交光栅8相互配合使用，可对现有的测量仪本体1 起到克服现有结构面测量工作中的不足，提高结构面测量效率和精度，满足 工程建设及科学研究的需要，提高结构面素描效率和精度，解决实际工程中 结构面素描受各种条件限制，如光线、时间、桩号、安全等无法做到精准测 量的问题，将素描区域划分为网格，有利于精准快速确定结构面端点坐标， 减小了以往靠估算产生的误差，采用激光作为光源，有较强的穿透性，在一 些烟尘较大，光线暗淡工作地点如施工中的地下洞室，能够不受影响继续工 作，结构简单，材料易得，降低了加工难度，适合推广使用。

本发明大型隧洞结构面迹线激光测量仪，采用532nm绿色激光发射器， 光栅采用二位正交光栅，水平和竖向光栅都采用1厘米内2000条刻痕，即光 栅常数为

透镜焦距采用5m，

依据上述公式以竖直坐标正方向为例，可以分别得到坐标轴各级亮点距 原点距离为(单位m)

第一级,k＝1：L₁＝5×0.107＝0.535

第二级,k＝2：L₂＝5×0.218＝1.09

第三级,k＝3：L₃＝5×0.337＝1.685

第四级,k＝4：L₄＝5×0.47＝2.35

第五级,k＝5：L₅＝5×0.628＝3.314

第六级,k＝6：L₆＝5×0.829＝4.145

第七级,k＝7：L₇＝5×1.116＝5.58

第八级,k＝8：L₈＝5×1.622＝8.11

第九级,k＝9：L₉＝5×3.324＝16.62

可以看出从第九级开始L明显增大，已经不适合精确测量的要求，所以 我们取前八级亮点作为来做辅助网格。

本实验装置结构有532nm绿色激光发射器(包括、电池、半导体、激光 模组)正交光栅、凸透镜、正交水准管、开关组成。通过激光发射器发射532nm 绿色激光经过正交光栅衍射在素描断面上形成规则的格栅图，由于精度和亮 度的要求，我们只选取前八级作为本装置的有效测量范围，在实际工程中(如 洞室边墙)桩号都以10m为间隔进行标注，因此本装置的有效测量范围为20 ×20m，再考虑人的身高因素，在y轴负方向取前三级亮点范围，因此本装置 的有效测量范围可认为是20×11.7m，基本可满足大部分工程要求。

综上所述：该结构面迹线激光测量仪，通过固体激光器模组2、半导体3、 电池4、水准管5、测量仪灯头6、凸透镜7和二维正交光栅8相互配合使用， 解决了现有结构面测量工作中的不足，提高结构面测量效率和精度，满足工 程建设及科学研究的需要，解决实际工程中结构面测量受各种条件限制，如 光线、时间、桩号、安全等无法做到精准测量的问题。

以下结合具体实施例进行详细介绍。

如图3所示，图3中，①激光投射仪器；②隧洞内高大墙壁；③结构面； ④激光网格。

第一步：将激光投影仪器固定在三角支架上，打开仪器，在高大隧洞的 墙壁上投影出激光网格；

第二步：在隧洞墙壁上搜寻结构面，确定结构面的起点、拐点、端点等 关键节点。

第三部：利用激光网格做参考物，记录节理节点所占据激光格栅数；

第四步：根据球状坐标原理，计算节理起点、拐点、端点的平面坐标；

第五步：利用节理的平面坐标，绘制节理迹线图；

第六步：依据上述流程，以此类推，测量其它节理。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。

Claims (4)

1.大型隧洞结构面迹线激光测量仪，包括测量仪本体(1)，其特征在于：所述测量仪本体(1)表面顶部的左侧固定连接有开关(9)，所述测量仪本体(1)表面顶部的右侧固定连接有水准管(5)，所述测量仪本体(1)的右侧固定连接有测量仪灯头(6)，所述测量仪灯头(6)内腔的左侧固定连接有二维正交光栅(8)，所述测量仪灯头(6)内腔的右侧固定连接有凸透镜(7)，所述测量仪本体(1)内腔的左侧固定连接有电池(4)，所述测量仪本体(1)内腔的左侧固定连接有半导体(3)，所述测量仪本体(1)内腔的右侧固定连接有固体激光器模组(2)。

2.根据权利要求1所述的大型隧洞结构面迹线激光测量仪，其特征在于：所述二维正交光栅(8)其中一条光栅在正交水准气泡所组成平面中，所述二维正交光栅(8)其基本原理与一维光栅衍射相同，都为单缝衍射和缝间干涉共同作用的结果，不同之处在于二维正交光栅(8)经过衍射之后的图案并非如一维光栅那样为明暗相间的条纹，而是矩形格栅。

3.根据权利要求1所述的大型隧洞结构面迹线激光测量仪，其特征在于：所述将二维正交光栅(8)测量区域划分为网格，有利于二维正交光栅(8)对结构面节点坐标的精准快速测量，减小了以往靠人为估测产生的误差，采用激光作为光源，有较强的穿透性，在一些烟尘较大，光线暗淡工作地点，如施工中的地下洞室，能够不受影响继续工作。

4.根据权利要求1所述的大型隧洞结构面迹线激光测量仪，其特征在于：所述装置结构有532nm绿色激光发射器，通过激光发射器发射532nm绿色激光经过二维正交光栅(8)衍射在测量断面上形成规则的格栅图。