CN110966992B - 一种扩大垂线瞄准仪观测范围并简化算法的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩大垂线瞄准仪观测范围并简化算法的方法，垂线瞄准仪包括底板（1）、左游标卡尺（9）和右游标卡尺（8），底板（1）左边缘设置左游标卡尺（9），底板（1）右边缘设置右游标卡尺（8），底板（1）上边缘设置两个瞄准针（3），其特征在于，在底板（1）下边缘增设下游标卡尺（10），采用下游标卡尺（10）、左游标卡尺（9）和右游标卡尺（8）三个测量值扩展垂线瞄准仪的观测范围，并简化垂线瞄准仪的观测数据的换算。本发明成倍地扩展了其有效观测范围，所以本发明大幅度地提升了垂线瞄准仪的测量空间，极大地避免因大坝变形幅度大而导致的垂线线体位置超出仪器观测范围必须重新移动仪器安装位置的情况发生。

Description

一种扩大垂线瞄准仪观测范围并简化算法的方法

技术领域

本发明涉及一种扩大垂线瞄准仪观测范围并简化算法的方法，属于垂线瞄准仪技术领域。

背景技术

通过设置正、倒垂线系统对大坝的水平位移进行监测是掌控大坝安全状态一种重要手段。垂线瞄准仪是一种常见的用于人工观测大坝水平位移变的仪器，其工作原理是，由在同一平面直角坐标系中的两条不平行的直线方程可以唯一确定其交点(对应垂线线体)的坐标值。

垂线瞄准仪是大坝安全监测领域常见的一种人工观测仪器，用于观测正垂或倒垂的线体，以下简称“垂线线体”，在垂线瞄准仪的水平平面中的位置变动情况。其工作原理如图6所示，在平面直角坐标系中先选择两个合适的位置用于确定两个观测参考点--瞄准针，然后在两观测参考点连线的同一侧设置两条位置固定的圆弧形或直线形的观测标尺线，且面向两观测参考点连线方向两条观测标尺线的夹角小于90度。当在两观测标尺线上分别确定一点(对应瞄准孔中心)后，按交叉方式分别连接该定点与观测参考点即可得到两条相交的直线。所有位于两条观测标尺上的不同点与对应的观测参考点相连，可得到一系列相交的直线对，这些直线的交点所组成的区域就是垂线瞄准仪的有效观测区。

实际观测时，当垂线线体位于垂线瞄准仪的有效观测区域内，自两条观测标尺线上分别寻找一个瞄准点，使瞄准点、垂线线体及对应瞄准针在同一条直线上，从而得到两条确定的直线，计算这两条直线的交点坐标即可得到垂线线体在平面直角坐标系中的位置信息。

根据观测参考点及两条观测标尺线在平面直线坐标系中的不同位置，以及两条观测标尺线是圆弧形还是直线型的不同，各型号的垂线线体坐标换算公式有所不同，一般垂线线体的坐标(x，y)可用通式x＝f1(L左，L右)、y＝f2(L左，L右)表示，式中L左，L右为垂线线体处于有效观测区内某一位置时，按观测要求分别自两条观测标尺线上读取的数据。部分型号垂线瞄准仪，如前述MZ-1型，在坐标换算过程中会涉及到反三角函数查表等中间换算程序，计算较为繁杂。

MZ-1型垂线瞄准仪是工程中常见的一种人工观测仪器，其结构如图1所示，MZ-1型垂线瞄准仪的坐标换算原理如图2所示。

现场观测时移动游标尺，通过瞄准孔用目视线将瞄准孔与垂线钢丝及瞄准针三点瞄准排列在一条直线上。即可利用左、右标心的刻度值来确定垂线位置的座标值。

如图2所示，2δ表示二瞄准针的中心距，“O”为XY座标轴原点，A为垂线所在位置， L左、L右为二刻度尺上读数值。现场读取L左、L右值后即可按下式计算出垂线的座标位置XA、YA值：

其中：

式中参数tg、α左、α右和δ与具体产品有关，是由设计加工时，瞄准针及刻度尺在瞄准仪提供的平面直角坐标系中的具体位置决定的。

工程上用到的另一款LN2002-R型垂线瞄准仪的坐标换算原理如图3所示。C1、C2为两瞄准针，“0”为X、Y坐标轴原点，A为垂线所在位置，θ＝45°，L左、L右为左、右刻度尺上读得的数值。读取L左、L右的数值，按照下式代入数值，即可求出垂线的坐标位置。

令：

则X轴、Y轴的偏移坐标分别为：

上式中的各常数也是由设计、加工时瞄准针及刻度尺在瞄准仪的平面直角坐标系中的具体位置决定的。

如图4所示，C1、C2为两瞄准针，“0”为X、Y坐标轴原点。现有的各型垂线瞄准仪因为仅在左、右两侧设置圆弧形或直线型游标钢尺，其理论有效观测范围为图中三角形阴影部分。因为大部分设置垂线观测系统的现场空间有限，同时考虑到生产成本及现场安装的便利性等因素，垂线观测仪的机械尺寸不宜设计过大，即通过增加仪器的机械尺寸来扩展其有效观测范围并不现实。

在实际使用过程中，如遇到因坝体变形导致垂线线体实际位置变化已移出到其有效区域之外时，则必须重新调整垂线瞄准仪的安装位置，以使垂线线体重新处于仪器的有效观测区域内。同时，为保证仪器位置移动前后观测数据的连续性，需要对移动前后的坐标数据进行换算。考虑到现场条件，仪器移动位置的坐标数据与实际移动位置之间往往存在一定的误差，从而影响仪器移动前后观测数据的衔接。

另外，已有的设计产品的坐标换算较为复杂，不方便观测现场进行计算出位移变化值以便与前期结果进行比对、纠正可能存在的操作错误。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种扩大垂线瞄准仪观测范围并简化算法的方法，在现有机械外围尺寸不变的前提下，通过在与观测仪底部(上部)平行的对边增设一条直线型游标钢尺的方法，不仅扩展其有效观测范围，也避免了重新移动仪器的情况发生。本发明用于解决现有垂线瞄准仪的观测范围偏小、观测数据换算较复杂的不足，使其可适应具有大变形的高坝等应用场合，同时简化观测数据的换算。

为达到上述目的，本发明提供一种扩大垂线瞄准仪观测范围并简化算法的方法，垂线瞄准仪包括底板、左游标卡尺和右游标卡尺，底板左边缘设置左游标卡尺，底板右边缘设置右游标卡尺，底板上边缘设置两个瞄准针，其特征在于，在底板下边缘增设下游标卡尺，采用下游标卡尺、左游标卡尺和右游标卡尺三个测量值扩展垂线瞄准仪的观测范围，并简化垂线瞄准仪的观测数据的换算。

进一步地，底板上边缘和底板下边缘相互平行，下游标卡尺、左游标卡尺和右游标卡尺为直线型游标卡尺。

进一步地，底板为等腰梯形，底板上边缘和底板左边缘的夹角为60度。

进一步地，简化垂线瞄准仪的观测数据的换算包括以下步骤：

定义直线X和直线Y分别为平面直角坐标系的X轴和Y轴，X轴对应上下游方向，Y轴对应左右岸方向；

当垂线线体位于①区时，从左游标卡尺和右游标卡尺上寻找左瞄准点和右瞄准点，分别使左瞄准点、垂线线体和右瞄准针位于同一直线上，右瞄准点、垂线线体和左瞄准针位于同一直线上，读取标尺读数L左和L右，L左和L右的坐标分别为

和

通过式(5)、式(6)直接计算出垂线线体的坐标值；

c的值为底板上边缘长度的一半、δ为瞄准针到底板上边缘中点的距离，c和δ为常数。进一步地，对式(5)、式(6)进一步简化成式(7)、式(8)的形式：

式中，

B＝δ+c，D＝δ(δ+c)，A、B和D为常数；

当垂线线体位于图中②区、③区和④区时，从下游标卡尺上寻找左瞄准点和右瞄准点，分别使左瞄准点γ_左、垂线线体和右瞄准针位于同一直线上，右瞄准点γ_右、垂线线体和左瞄准针位于同一直线上，读取下游标卡尺上γ_左和γ_右的读数，γ_左和γ_右坐标分别为{(√3+1)δ- √3C，γ_左}、{(√3+1)δ-√3C，γ_右}；

当垂线线体分别位于②区、③区和④区时，将读取的γ_左和γ_右坐标代入下列对应的算式即可得到其坐标值：

当垂线线体位于②区时：

式中：

B＝2(c²-δ²)，D＝(c-2δ)；

当垂线线体位于③区时：

式中：

B＝2(c²-δ²)，D＝(c-2δ)；

当垂线线体位于④区时：

式中：

α为常数。

进一步地，下游标卡尺、左游标卡尺和右游标卡尺为钢材。

本发明所达到的有益效果：

本发明是在现有机械外围尺寸基本不变的前提下，通过在与观测仪底部平行的对边增设一条直线型游标测读钢尺的方法，使得自新增游标测读钢尺上任一瞄准点出发与两瞄准点相连的测读直线可以覆盖与原有有效观测区域邻接、位于瞄准仪表盘中间的大部分区域。同时为简化观测坐标的换算，对左、右观测标尺的结构进行优化，统一采用直线型游标钢尺，且以底部瞄准点为参考对称布置。本发明成倍地扩展了垂线瞄准仪的有效观测范围，提高了仪器的工程适用性，大幅度地提升了垂线瞄准仪的测量空间，极大地避免因大坝变形幅度大而导致的垂线线体位置超出垂线瞄准仪的观测范围而必须重新移动仪器安装位置的情况发生。通过将原有对称布置于瞄准针两侧的游标测读钢尺设计成与底边成60°夹角的直线型游标测读钢尺来简化观测成果的坐标换算。

附图说明

图1是现有技术中MZ-1型垂线瞄准仪的结构图；

图2是MZ-1型垂线瞄准仪的坐标换算原理图；

图3是LN2002-R型垂线瞄准仪的坐标换算原理图；

图4是现有技术中的垂线瞄准仪的观测范围示意图；

图5是本发明的坐标换算原理图；

图6是垂线瞄准仪的工作原理图；

图7是本发明中的垂线瞄准仪的观测范围示意图。

附图中标记含义，1-底板；2-垂线；3-瞄准针；4-瞄准线；5-安装孔；6-瞄准孔；7-游标； 8-右游标卡尺；9-左游标卡尺；10-下游标卡尺。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种扩大垂线瞄准仪观测范围并简化算法的方法，垂线瞄准仪包括底板1、左游标卡尺和右游标卡尺，底板1左边缘设置左游标卡尺，底板1右边缘设置右游标卡尺，底板1上边缘设置两个瞄准针3，底板1上开设四个安装孔5，底板1通过四个安装孔5固定在地面上，其特征在于，在底板1下边缘增设下游标卡尺，采用下游标卡尺、左游标卡尺和右游标卡尺三个测量值扩展垂线瞄准仪的观测范围，并简化垂线瞄准仪的观测数据的换算。

进一步地，底板1上边缘和底板1下边缘相互平行，下游标卡尺、左游标卡尺和右游标卡尺为直线型游标卡尺。

进一步地，底板1为等腰梯形，底板1上边缘和底板1左边缘的夹角为60度。

进一步地，简化垂线瞄准仪的观测数据的换算包括以下步骤：

定义直线X和直线Y分别为平面直角坐标系的X轴和Y轴，X轴对应上下游方向，Y轴对应左右岸方向；

当垂线线体位于①区时，从左游标卡尺和右游标卡尺上寻找左瞄准点和右瞄准点，通过瞄准孔观察分别使左瞄准点、垂线线体和右瞄准针位于同一直线上，通过瞄准孔观察右瞄准点、垂线线体和左瞄准针位于同一直线上，此时读取标尺读数L_左和L_右，L_左和L_右的坐标分别为

和

通过式(5)、式(6)直接计算出垂线线体的坐标值；

c的值为底板1上边缘长度的一半、δ为瞄准针3到底板1上边缘中点的距离，c和δ为常数。

进一步地，对式(5)、式(6)进一步简化成式(7)、式(8)的形式：

式中，

B＝δ+c，D＝δ(δ+c)，A、B和D为常数；

当垂线线体位于图中②区、③区和④区时，从下游标卡尺上寻找左瞄准点和右瞄准点，通过瞄准孔观察分别使左瞄准点γ_左、垂线线体和右瞄准针位于同一直线上，通过瞄准孔观察右瞄准点γ_右、垂线线体和左瞄准针位于同一直线上，读取下游标卡尺上γ_左和γ_右的读数，γ_左和γ_右坐标分别为{(√3+1)δ-√3C，γ_左}、{(√3+1)δ-√3C，γ_右}；

当垂线线体分别位于②区、③区和④区时，将读取的γ_左和γ_右坐标代入下列对应的算式即可得到其坐标值：

当垂线线体位于②区时：

式中：

B＝2(c²-δ²)，D＝(c-2δ)；

当垂线线体位于③区时：

式中：

B＝2(c²-δ²)，D＝(c-2δ)；

当垂线线体位于④区时：

式中：

α为常数。

进一步地，下游标卡尺、左游标卡尺和右游标卡尺为钢材。

左主尺9的上端为读数起点，右主尺的上端为读数起点，下主尺10的中端为读数起点。

图5所示的阴影区域为仪器的有效观测范围，其中①区为改进前的观测有效区，②区、③区和④区分别为新增的有效观测区，新增的理论有效观测区域为现有技术图4中的3倍面积。

为提高观测数据换算的简便性，本发明同时将仪器的几何形状按底角成60°的等腰梯形来设计，具体方案如图7所示。当垂线分别位于①区、②区、③区和④区时，分别将读取的数据代入对应的算式即可得到垂线线体当前的坐标位置值。

图7中所示的4个阴影区域共同组成了仪器的有效观测范围，其中①区为改进设计前的观测有效区，②、③、④为新增的有效观测区。当垂线线体位于新增的3个有效观测区域时，均可以在新增的第三条直线型游标测读钢尺上分别找到2个对应的瞄准点，使其与垂线线体、瞄准针处于一条直线上，从而确定出垂线线体的坐标位置。从图7所示可以看出，新增的3 个有效观测区域的范围之和为原有范围的3倍。本发明成倍地扩展了其有效观测范围，所以本发明大幅度地提升了垂线瞄准仪的测量空间，极大地避免因大坝变形幅度大而导致的垂线线体位置超出仪器观测范围必须重新移动仪器安装位置的情况发生。

图中直线X、Y分别为平面直角坐标系的X轴、Y轴，安装时一般要求X轴对应上、下游方向(变形范围大)，Y轴对应左、右岸方向(变形范围小)。

当垂线线体位于图中①区时，观测者可自左、右观测标尺上各寻找到一瞄准点，分别使左瞄准点、垂线线体、右瞄准针及右瞄准点、垂线线体、左瞄准针位于同一直线上，读取标尺读数L_左、L_右，其坐标分别为

通过式(5)、(6)即可直接计算出垂线线体的坐标值。

实际使用时可对公式进一步简化成式(7)、(8)的形式：

式中，

B＝δ+c，D＝δ(δ+c)，c、δ对于具体定型产品来讲为常数。

当垂线线体位于图中②、③、④区时，观测者可自与底板平行的下主尺10上寻找到左、右两个不同瞄准点，分别使左瞄准点(γ_左)、垂线线体、右瞄准针及右瞄准点(γ_右)、垂线线体、左瞄准针位于同一直线上，读取标尺读数γ_左、γ_右，其坐标分别为{(√3+1)δ-√3C，γ_左}、{(√3+1)δ-√3C，γ_右}。具体当垂线线体分别位于②、③、④区时，将读取的数据代入对应的算式即可得到其坐标值。

当垂线线体位于②区时：

式中：

B＝2(c²-δ²)，D＝(c-2δ)，c和δ对于具体定型产品来讲为常数， c为底板上底边长度的一半，δ为瞄准针到底板上底边的中点的距离。

当垂线线体位于③区时：

式中：

B＝2(c²-δ²)，D＝(c-2δ)，c，δ对于具体定型产品来讲为常数。

当垂线线体位于④区时：

式中：

c、δ、α对于具体定型产品来讲为常数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种扩大垂线瞄准仪观测范围并简化算法的方法，垂线瞄准仪包括底板(1)、左游标卡尺(9)和右游标卡尺(8)，底板(1)左边缘设置左游标卡尺(9)，底板(1)右边缘设置右游标卡尺(8)，底板(1)上边缘设置两个瞄准针(3)，其特征在于，在底板(1)下边缘增设下游标卡尺(10)，采用下游标卡尺(10)、左游标卡尺(9)和右游标卡尺(8)三个测量值扩展垂线瞄准仪的观测范围，并简化垂线瞄准仪的观测数据的换算；

底板(1)上边缘和底板(1)下边缘相互平行，下游标卡尺(10)、左游标卡尺(9)和右游标卡尺(8)为直线型游标卡尺；

底板(1)为等腰梯形，底板(1)上边缘和底板(1)左边缘的夹角为60度；

简化垂线瞄准仪的观测数据的换算包括以下步骤：

定义直线X和直线Y分别为平面直角坐标系的X轴和Y轴，X轴对应上下游方向，Y轴对应左右岸方向；

①区的大小由左侧瞄准针与右侧边沿的游标卡尺两个端点组成的三角形，与由右侧瞄准针与左侧边沿的游标卡尺两个端点组成的另一个三角形之间的重叠部分确定；

②区的大小由左侧瞄准针与坐标仪下边沿的游标卡尺两个端点组成的三角形，与由右侧瞄准针与左侧边沿的游标卡尺两个端点组成的另一个三角形之间的重叠部分确定；

③区的大小由右侧瞄准针与坐标仪下边沿的游标卡尺两个端点组成的三角形，与由左侧瞄准针与右侧边沿的游标卡尺两个端点组成的另一个三角形之间的重叠部分确定；

④区的大小由右侧瞄准针与坐标仪下边沿的游标卡尺两个端点组成的三角形，与由左侧瞄准针与坐标仪下边沿的游标卡尺两个端点组成的另一个三角形之间的重叠部分确定；

当垂线线体位于①区时，移动左游标卡尺(9)和右游标卡尺(8)通过瞄准孔(6)观察寻找左瞄准点和右瞄准点，使左瞄准点、垂线线体和右瞄准针位于同一直线上，使右瞄准点、垂线线体和左瞄准针位于同一直线上，此时读取标尺读数L_左和L_右，L_左和L_右的坐标分别为

和

通过式(5)、式(6)直接计算出垂线线体的坐标值；

c的值为底板(1)上边缘长度的一半、δ为瞄准针(3)到底板(1)上边缘中点的距离，c和δ为常数；

对式(5)、式(6)进一步简化成式(7)、式(8)的形式：

式中，

B＝δ+c，D＝δ(δ+c)，A、B和D为常数；

当垂线线体位于②区、③区和④区时，移动下游标卡尺(10)通过瞄准孔(6)观察寻找左瞄准点和右瞄准点，使左瞄准点

垂线线体和右瞄准针位于同一直线上，使右瞄准点

垂线线体和左瞄准针位于同一直线上，此时读取下游标卡尺(10)上

和

的读数，

和

坐标分别为

当垂线线体分别位于②区、③区和④区时，将读取的

和

坐标代入下列对应的算式即可得到其坐标值：

当垂线线体位于②区时：

式中：

B＝2(c²-δ²)，D＝(c-2δ)；

当垂线线体位于③区时：

式中：

B＝2(c²-δ²)，D＝(c-2δ)；

当垂线线体位于④区时：

式中：

α为常数。

2.根据权利要求1所述的一种扩大垂线瞄准仪观测范围并简化算法的方法，其特征在于，下游标卡尺(10)、左游标卡尺(9)和右游标卡尺(8)为钢材。

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