CN111102963A - 一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪 - Google Patents

一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪，包括电动伸缩杆，所述电动伸缩杆包括固定尖端和伸缩端，所述固定尖端上固定安装有蓄电池和主控模块，所述伸缩端的上端固定安装有台座，所述台座上固定安装有支撑架，所述支撑架的上端固定安装有挂座，所述挂座的下端转动安装有平衡机构，所述平衡机构的下端固定安装有测量主机，所述测量主机的下端开设有保护槽。本发明通过电动伸缩杆实现各地形固定和匀速多次测量，通过万向球实现测量主机和测量辅机的稳定测量，通过测量主机和测量辅机的错位放置实现各种坡面的检测，通过角度传感器精确检测测量辅机的转动角度并反馈到主控模块选择合适的算法，增加其测量的精确度和使用寿命。

Description

一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪
技术领域
本发明涉及工程施工领域，尤其涉及一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪。
背景技术
坡度仪是一款坡度测量功能的测绘附件产品，坡度仪经常在土建工程、水利工程施工中使用，用来测量地面坡度。
现有的坡度仪基本为液体指针式坡度仪，指针泡在液体内，在测量坡度时，将坡度仪的底面与斜坡面紧贴，指针显示坡度，但此坡度仪存在只能在较平的斜面测量，若坡面凹凸不平，则坡度仪底面与坡面无法平整贴合，造成测量误差，如专利申请号为201822124674.9 的专利中叙述的“一种用于水利施工的简易多用坡度仪”，虽然在一定条件下可对坡面较为平整的斜坡进行测量，但水利工程施工区域的坡面基本都为山区，河流等地，斜坡坡面大多不平整，因此测量时精确度较低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪，包括电动伸缩杆，所述电动伸缩杆包括固定尖端和伸缩端，所述固定尖端上固定安装有蓄电池和主控模块，所述伸缩端的上端固定安装有台座，所述台座上固定安装有支撑架，所述支撑架的上端固定安装有挂座，所述挂座的下端转动安装有平衡机构，所述平衡机构的下端固定安装有测量主机，所述测量主机的下端开设有保护槽，所述保护槽内转动安装有测量辅机，所述测量主机的侧面固定安装有角度传感器，所述角度传感器安装在测量主机与测量辅机转动连接轴处；
电动伸缩杆能够方便的插设固定在斜坡坡面或较浅的水中，且电动伸缩杆能够匀速上升使得主控模块控制测量主机和测量辅机多次等间隔测量，更能够反馈出坡度的变化。
优选地，所述平衡机构包括转动安装在挂座下端的转盘，所述转盘的下端固定安装有环形架，所述环形架内活动安装有万向球，所述万向球的下端固定安装有连接杆，且连接杆的下端穿过环形架固定安装在测量主机的上端；
平衡机构的万向球可在环形架内自由转动，即能够使得测量主机在受到竖直向下的重力情况下，无论电动伸缩杆的固定有无倾斜，均能够保证测量主机始终水平，增加了测量的精度。
优选地，所述测量主机的侧端嵌设有第一激光发射模块和第一激光接收模块，所述测量辅机的侧端嵌设有第二激光发射模块和第二激光接收模块；
将测量辅机从测量主机的保护槽内旋转打开，则角度传感器检测到转动角度，当测量辅机的测量线为水平时，即与测量主机的测量线平行时，转动角度为α，而测量主机的第一激光接收模块到角度传感器的水平距离和垂直距离分别恒为D和d，而测量辅机转动半径恒为R，则第二激光接收模块到第一激光接收模块的距离C＝d+d″，根据三角形正弦定理定量可计算出d″＝R·sinα，则C＝d+R·sinα，而第二激光接收模块到角度传感器的水平距离为
Figure RE-RE-GDA0002382484390000031
则第二激光接收模块到第一激光接收模块的水平距离为
Figure RE-RE-GDA0002382484390000032
又因为通过第一激光接收模块和第二激光接收模块测得斜坡两个点的距离分别为L1和L2，则与斜坡角度相等的相似直角三角形的一条边为：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000033
根据勾股定理可计算出相似直角三角形的斜边：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000034
则根据三角形正弦定理可计算出斜坡坡度角的正弦函数：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000035
则测量出的斜坡坡度为：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000036
当测量辅机在长时间使用过程中会导致转动超过角度α，即转动角度达到β(β>α)，此时的第二激光接收模块接收的距离为非水平直线，则已知转动角度β、第一激光接收模块到角度传感器的水平距离D和垂直距离d、转动半径R，第一激光接收模块测量距离L1和第二激光接收模块测量距离L3，则根据正弦定理可计算出角度传感器到第二激光接收模块的垂直距离d″＝R·sinβ和水平距离
Figure RE-RE-GDA0002382484390000041
则第二激光接收模块到第一激光接收模块垂直距离c＝d+d″＝d+R·sinα和水平距离
Figure RE-RE-GDA0002382484390000042
则与转动角度β相等的相似直角三角形的一条直角边长度为c″＝L3·sinβ，另一条边长度为
Figure RE-RE-GDA0002382484390000043
则与斜坡坡度相似的直角三角形的一条直角边的长度：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000044
另一条直角边长度：
C＝c+c″＝d+R·sinβ+L3·sinβ，
则相似直角三角形的斜边长度：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000045
则测量出的斜坡坡度角的正弦函数为：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000046
则测量出的斜坡坡度为：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000047
优选地，所述测量辅机的下端固定安装有把手，方便使用者从测量主机内转动取出测量辅机。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的坡度仪的电动伸缩杆的下端设置为固定尖端，在测量时，可在施工区域内插设在任何一处松软地面，固定速度块，且固定稳固。
2、蓄电池和主控模块均安装在电动伸缩杆的固定尖端，在固定电动伸缩杆时能够保证整个坡度仪的重心位于靠近坡面的固定尖端，进一步增加固定的稳定性。
3、万向球活动安装在环形架内，则万向球可在环形架内朝各个方向转动，根据重力的作用，即能够保证测量主机始终处于水平状态，即始终保持着万向球与测量主机的连线始终垂直地面水平线，即测量主机的测量始终为水平直线测量，减少无关因素干扰，增加其测量准确性。
4、测量主机和测量辅机通过两个平行测距激光测得斜坡的坡面高度不同的两个点处的距离，通过距离差和测量值以及角度传感器的角度值计算出两点间的坡度，无需紧贴坡面测量，测量数据更加准确。
5、通过电动伸缩杆匀速上升并每隔一段时间测量一个坡度值形成连续坡度值，通过连续坡度值的分析可判断出当前斜坡坡度变化，即能够反映出坡面的平整或凹凸不平，提供给使用者参考。
6、在长时间使用后，测量辅机会出现转动超过原厂设置的转动角度，使得角度转动角度增大，导致测量辅机倾斜测量斜坡上的另一点，而角度传感器能够精确检测测量辅机的转动角度，将其传输到主控模块，使用第二种算法计算出斜坡两点的坡度，使得坡度仪在长时间使用后仍能够保证较高的精度，增加其使用寿命。
综上所述，本发明通过电动伸缩杆实现各地形固定和匀速多次测量，通过万向球实现测量主机和测量辅机的稳定测量，通过测量主机和测量辅机的错位放置实现各种坡面的检测，通过角度传感器精确检测测量辅机的转动角度并反馈到主控模块选择合适的算法，增加其测量的精确度和使用寿命。
附图说明
图1为本发明提出的一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪的结构示意图；
图2为本发明提出的一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪的测量主机部分放大图；
图3为本发明提出的一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪的平行计算示意图；
图4为本发明提出的一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪的非平行计算示意图；
图5为本发明提出的一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪的测量坡度变化图。
图中：1电动伸缩杆、2蓄电池、3主控模块、4台座、5支撑架、 6挂座、7测量主机、8转盘、9环形架、10万向球、11连接杆、12 第一激光接收模块、13第一激光发射模块、14保护槽、15第二激光接收模块、16第二激光发射模块、17把手、18测量辅机、19角度传感器。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1-5，一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪，包括电动伸缩杆1，电动伸缩杆1包括固定尖端和伸缩端，固定尖端上固定安装有蓄电池2和主控模块3，伸缩端的上端固定安装有台座4，台座4上固定安装有支撑架5，支撑架5的上端固定安装有挂座6，挂座6的下端转动安装有平衡机构，平衡机构的下端固定安装有测量主机7，测量主机7的下端开设有保护槽14，保护槽14内转动安装有测量辅机18，测量主机7的侧面固定安装有角度传感器19，角度传感器19安装在测量主机7与测量辅机18转动连接轴处；
电动伸缩杆1能够方便的插设固定在斜坡坡面或较浅的水中，且电动伸缩杆1能够匀速上升使得主控模块3控制测量主机7和测量辅机18多次等间隔测量，更能够反馈出坡度的变化。
平衡机构包括转动安装在挂座6下端的转盘8，转盘8的下端固定安装有环形架9，环形架9内活动安装有万向球10，万向球10的下端固定安装有连接杆11，且连接杆11的下端穿过环形架9固定安装在测量主机7的上端；
平衡机构的万向球10可在环形架9内自由转动，即能够使得测量主机7在受到竖直向下的重力情况下，无论电动伸缩杆1的固定有无倾斜，均能够保证测量主机7始终水平，增加了测量的精度。
测量主机7的侧端嵌设有第一激光发射模块13和第一激光接收模块12，测量辅机18的侧端嵌设有第二激光发射模块16和第二激光接收模块15；
将测量辅机18从测量主机7的保护槽14内旋转打开，则角度传感器19检测到转动角度，当测量辅机18的测量线为水平时，即与测量主机7的测量线平行时，转动角度为α，而测量主机7的第一激光接收模块12到角度传感器19的水平距离和垂直距离分别恒为D和d，而测量辅机18转动半径恒为R，则第二激光接收模块15到第一激光接收模块12的距离C＝d+d″，根据三角形正弦定理定量可计算出 d″＝R·sinα，则C＝d+R·sinα，而第二激光接收模块15到角度传感器 19的水平距离为
Figure RE-RE-GDA0002382484390000081
则第二激光接收模块15到第一激光接收模块12的水平距离为
Figure RE-RE-GDA0002382484390000082
又因为通过第一激光接收模块12和第二激光接收模块15测得斜坡两个点的距离分别为L1和 L2，则与斜坡角度相等的相似直角三角形的一条边为：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000083
根据勾股定理可计算出相似直角三角形的斜边：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000084
则根据三角形正弦定理可计算出斜坡坡度角的正弦函数：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000091
则测量出的斜坡坡度为：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000092
当测量辅机18在长时间使用过程中会导致转动超过角度α，即转动角度达到β(β>α)，此时的第二激光接收模块15接收的距离为非水平直线，则已知转动角度β、第一激光接收模块12到角度传感器19的水平距离D和垂直距离d、转动半径R，第一激光接收模块 12测量距离L1和第二激光接收模块15测量距离L3，则根据正弦定理可计算出角度传感器19到第二激光接收模块15的垂直距离 d″＝R·sinβ和水平距离
Figure RE-RE-GDA0002382484390000093
则第二激光接收模块15到第一激光接收模块12垂直距离c＝d+d″＝d+R·sinα和水平距离
Figure RE-RE-GDA0002382484390000094
则与转动角度β相等的相似直角三角形的一条直角边长度为c″＝L3·sinβ，另一条边长度为
Figure RE-RE-GDA0002382484390000095
则与斜坡坡度相似的直角三角形的一条直角边的长度：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000096
另一条直角边长度：
C＝c+c″＝d+R·sinβ+L3·sinβ，
则相似直角三角形的斜边长度：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000097
则测量出的斜坡坡度角的正弦函数为：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000101
则测量出的斜坡坡度为：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000102
测量辅机18的下端固定安装有把手17，方便使用者从测量主机 7内转动取出测量辅机18。
本发明在使用时，正常使用时，将电动伸缩杆1的固定尖端竖直插设在被测斜坡上，无需保证绝对竖直，扣动把手17转动测量辅机 18从保护槽14内拔出，然后启动开关，测量主机7和测量辅机18 测量初始斜坡两点的距离L1和L2并记录数值进行坡度计算，得出：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000103
电动伸缩杆1的伸缩端开始向上匀速升高，使得测量主机7和测量辅机18匀速上升，主控模块3控制测量主机7和测量辅机18每隔一段时间T测量记录一次坡度值，形成时间间隔T的连续坡度值i1、i2… in，则根据时间间隔T测量的坡度连续值的分布可分析出坡度的变化，若i1、i2…in之间的竖直相差较小，则坡度几乎处于恒定状态，代表斜坡的坡面较为平整，若i1、i2…in之间大小相差较大，则斜坡的各处坡度不等，即代表斜坡的坡面凹凸不平；
当使用时间较长，测量辅机18已经不能够精确按照出厂设计旋转到测量线与测量主机7的测量线平行的位置，则此时通过角度传感器19获得倾斜测量状态下的旋转角度β，根据测量主机7和测量辅机18分别测量的L1和L3计算出坡度值：
Figure RE-RE-GDA0002382484390000111
同正常使用步骤一致，测得并记录时间间隔T的连续坡度值i1、 i2…in，则根据时间间隔T测量的坡度连续值的分布可分析出坡度的变化，若i1、i2…in之间的竖直相差较小，则坡度几乎处于恒定状态，代表斜坡的坡面较为平整，若i1、i2…in之间大小相差较大，则斜坡的各处坡度不等，即代表斜坡的坡面凹凸不平。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪，包括电动伸缩杆(1)，其特征在于，所述电动伸缩杆(1)包括固定尖端和伸缩端，所述固定尖端上固定安装有蓄电池(2)和主控模块(3)，所述伸缩端的上端固定安装有台座(4)，所述台座(4)上固定安装有支撑架(5)，所述支撑架(5)的上端固定安装有挂座(6)，所述挂座(6)的下端转动安装有平衡机构，所述平衡机构的下端固定安装有测量主机(7)，所述测量主机(7)的下端开设有保护槽(14)，所述保护槽(14)内转动安装有测量辅机(18)，所述测量主机(7)的侧面固定安装有角度传感器(19)，所述角度传感器(19)安装在测量主机(7)与测量辅机(18)转动连接轴处。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪，其特征在于，所述平衡机构包括转动安装在挂座(6)下端的转盘(8)，所述转盘(8)的下端固定安装有环形架(9)，所述环形架(9)内活动安装有万向球(10)，所述万向球(10)的下端固定安装有连接杆(11)，且连接杆(11)的下端穿过环形架(9)固定安装在测量主机(7)的上端。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪，其特征在于，所述测量主机(7)的侧端嵌设有第一激光发射模块(13)和第一激光接收模块(12)，所述测量辅机(18)的侧端嵌设有第二激光发射模块(16)和第二激光接收模块(15)。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量施工区域复杂坡面的坡度仪，其特征在于，所述测量辅机(18)的下端固定安装有把手(17)。
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