CN111457910A - 电子智能式地质罗盘及采用该罗盘测量岩体产状的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子智能式地质罗盘，包括一测量主机和一测量板；测量板贴放在测量主机的下表面，通过设置在任一角位置处的连接轴铰链为一体；测量主机上设置有倾向指示机构和由内置电源供电的倾向、倾角测量单元。本发明制备的电子智能式地质罗盘结构巧妙，功能全面，操作简单，携带方便，能解决窄小产状面及困难测面的测量，测量时可避开调平环节，快速完成倾向倾角的测量，大大提升了地质测量的效率与准确性；结合配套本产品开发的手机端小程序，能快速准确的实现测量岩体产状。

Description

电子智能式地质罗盘及采用该罗盘测量岩体产状的方法

技术领域

本发明涉及野外地质工作所用的地质罗盘，尤其是涉及一种电子智能式地质罗盘，本发明还涉及采用该地质罗盘测量岩体产状的方法。

背景技术

地质罗盘是野外地质工作中不可缺少的工具，可用于快速准确的测量岩体产状倾向角度并提供测量点的空间位置等。目前所用的地质罗盘虽样式很多，但基本结构一致，由磁针、刻度盘、测斜仪、瞄准觇板、水准器等几部分安装在铜、铝或木质的圆盆内组成。

采用现有的地质罗盘测量岩体产状时，存在以下几方面问题：1、背面测量岩体产状时，由于测量站位困难，南北针读取存在一定的错误几率；2、当部分岩体产状露头处比较窄小时，罗盘则难以测量；3、进行倾向测量和倾角测量时要将水泡调至居中，费时费力还容易读判错误；4、人工量测记录耗时长，受环境影响较大；5、测量点位置记录精度小，以笔记为主，耗时费力。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术所存在的缺陷，提供一种电子智能式地质罗盘，本发明还提供采用该地质罗盘测量岩体产状的方法；与现有地质罗盘相比，本发明电子智能式地质罗盘可大大提高地质测量效率及测量的准确性。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的电子智能式地质罗盘，包括一测量主机和一测量板；

所述测量板贴放在所述测量主机的下表面，通过设置在任一角位置处的连接轴铰链为一体；

所述测量主机上设置有倾向指示机构和由内置电源供电的倾向、倾角测量单元。

所述倾向指示机构包括开设在测量主机上表面带有透明上盖的环形凹槽，所述环形凹槽的圆心位于测量主机的中轴线上，所述环形凹槽内滚动设置有指示小球；远离连接轴位置的测量主机中轴线与环形凹槽交点A处的环形凹槽外环内壁和槽底分别设置有条带状接触开关，所述环形凹槽内侧设置有标识0 º~360 º环形刻度的倾向拨盘；位于所述倾向拨盘内的测量主机上设置有嵌套为一体的带有环形刻度的透明外球和带有磁极指示的磁性內球。

所述透明外球下半部嵌固于所述倾向拨盘内的测量主机体内。

所述磁性内球中填充有1/2体积的水平漂浮材料，在其上半圆外表面绘制有指北标线；所述磁性内球和透明外球之间充注有浮液。

所述倾向、倾角测量单元包括按键模块、陀螺仪模块、GPS模块、单片机、存储模块、显示模块和蓝牙模块；

所述按键模块包括电源键和功能设定键；

所述陀螺仪模块用以量测测量主机绕X（东）、Y（北）、Z（天）三个轴向的旋转角度并传输至所述单片机；

所述GPS模块用于接收测量点的位置信息并传输至单片机；

所述单片机用于接收陀螺仪模块传输的数值信号并根据预设的计算程序计算求值，同时接收GPS模块传输的位置信息，并将处理过的各种信息分别传输至所述存储模块、所述显示模块和所述蓝牙模块；

所述存储模块用于接收单片机的信息并储存；

所述显示模块用于显示单片机发送的各种信息；

所述蓝牙模块用于接收单片机的信息并发送至外部蓝牙接收设备（如手机或云勘察终端机）。

所述陀螺仪模块采用主、辅两组三轴陀螺仪。

所述测量板为与所述测量主机下表面尺寸相同的矩形结构。

采用本发明的电子智能式地质罗盘测量岩体产状的方法，其具体步骤如下：

S1、放置测量板

将测量板贴放于所测产状岩面的上/下面，或将测量板插于岩体产状缝隙中紧贴所测产状的岩面放置，保持测量主机上的球面向上；

S2、目测倾角与倾向

磁性內球受浮力和地磁作用自动调平并指示北向，转动倾向拨盘使0 º刻度点与磁性內球上的指北标线箭头方向重合，倾向指示小球在重力作用下自主绕环形凹槽滚动到最低处，倾向指示小球指示的刻度即为目测岩体产状的倾向；磁性內球在浮力作用下保持水平状态，测量主机的平面与水平面产生的夹角即为岩体产状的倾角，其角度大小可通过磁性內球的黑白分交线与透明外球上部的同心环形刻度的最高处圆环刻度指示的角度目测；

S3、电子测量、记录及计算

按压电源键，倾向测量单元开始工作，

测量主机内的主、辅两组三轴陀螺仪会测量姿态偏转角度，并根据主陀螺仪测量数据计算出倾角；

测量主机沿连接轴旋转，当倾向指示小球停滞于测量主机“A”点时，触发测量记录倾向；同时通过GPS元件测量并记录测量点的位置信息；倾角、倾向位置信息通过液晶显示屏显示出来；

S4、复核结果

对比液晶显示屏上的结果和目测的倾角与倾向结果，当误差小于允许值时，电路自动记录测量点的倾角、倾向、经度、纬度数据；如果两者的结果差别较大，通过功能键可选择清除记录数据，重新测量。

本发明制备的电子智能式地质罗盘结构巧妙，功能全面，操作简单，携带方便，能解决窄小产状面及困难测面的测量，测量时可避开调平环节，快速完成倾向倾角的测量，大大提升了地质测量的效率与准确性；结合配套本产品开发的手机端小程序，能快速准确的实现测量岩体产状。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的剖面结构图。

图3是本发明倾向测量单元的电路原理框图。

图4-1、图4-2为本发明倾向测量单元的测量原理推导简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更加详细的说明，以便于本领域技术人员的理解。

如图1-2所示，本发明所述的电子智能式地质罗盘，包括矩形结构的测量主机和与测量主机下表面尺寸相同的矩形测量板1；测量板1贴放在测量主机的下表面，通过设置在右下角的连接轴2（可采用螺栓）与测量主机铰链为一体，工作时，测量板1可绕连接轴2旋转；在测量主机上设置有倾向指示机构和由内置电源3（采用可充式锂电池）供电的倾向、倾角测量单元。

本发明的倾向指示机构包括开设在测量主机上表面带有透明上盖的环形凹槽4（倾向指示轨道），环形凹槽4的圆心位于测量主机的中轴线i上，在环形凹槽4内滚动设置有倾向指示小球5，远离连接轴2位置的测量主机中轴线i与环形凹槽4的交点A处的环形凹槽外环内壁和槽底分别设置有条带状接触开关，在环形凹槽4的透明上盖内侧设置有标识0 º~360 º环形刻度的倾向拨盘6；位于倾向拨盘6内的测量主机上设置有嵌套为一体的带有环形刻度（按倾斜角度刻画）的透明外球7和带有磁极指示的磁性內球8，透明外球7的外径与倾向拨盘6的内径相适配，透明外球7的下半部嵌固于倾向拨盘6内的测量主机体内；在磁性内球8中填充有1/2体积（半个圆球）的水平漂浮材料，实际制作时，水平漂浮材料可采用聚丙烯塑料发泡材料（EPP），使磁性內球8形成下半圆黑色，上半圆白色，实际制作时，磁性内球8中的小磁棒水平嵌入球体的圆平面上，磁棒中心与圆心重合，球体的中心平面贴合磁棒，在其上半圆外表面依磁棒北极所指方向绘制有指北标线9；磁性内球8和透明外球7之间充注有甲基硅油浮液。

如图3所示，本发明的倾向测量单元包括按键模块、陀螺仪模块、GPS模块、单片机、存储模块、显示模块和蓝牙模块；具体来说，

按键模块包括电源键10和功能设定键11；

陀螺仪模块采用mems低功耗微型传感器，用以量测测量主机绕X（东）、Y（北）、Z（天）三个轴向的旋转角度并传输至单片机；本发明陀螺仪模块采用主、辅两组三轴陀螺仪；

GPS模块用于接收测量点的位置信息并传输至单片机；

单片机用于接收陀螺仪模块传输的数值信号并根据预设的计算程序计算求值，同时接收GPS模块传输的位置信息，并将处理过的各种信息分别传输至存储模块、显示模块和蓝牙模块；

存储模块可采用随机存取存储器（RAM），用于接收单片机的信息并储存；

显示模块采用低功耗液晶显示屏12（置于测量主机的上表面），用于显示单片机发送的各种信息；

蓝牙模块用于接收存储模块存储的信息并发送至外部蓝牙接收设备如手机。

本发明通过相互铰链（部分重叠）的测量板1和测量主机实现测量面转换，从而通过测量板1实现量测窄小和反面岩体面；测量主机上环形凹槽4内滚动的倾向指示小球5根据物理特性始终静止于环形凹槽4（倾向指示轨道）的最低点，依据倾向和倾角定义，环形凹槽4的圆心与倾向指示小球5的连线即为倾向指向；转动倾向拨盘6，将0 º刻度与倾向指示小球5指北点相对，则倾向指示小球5所对倾向拨盘6的读数即为倾向角；透明外球7的下半部嵌固于倾向拨盘6内的测量主机体内，位于上半部的圆环形角刻度与测量主机的上下面平行，岩体的倾角可通过磁性內球8的黑白分交线与透明外球7上部的同心环形刻度的最高处圆环刻度指示的角度读出；与此同时，本发明的倾向、倾角测量单元也可快速测量计算出倾向与倾角。

陀螺仪模块可以测出测量板1及罗盘（指测量主机，下同）坐标系z1、y1、x1三个轴向分别绕Z（天）、Y（北）、X（东）三个地理坐标轴的旋转角度为α1、β1、γ1，则岩体倾角θ可表达为：θ=arccos(|cosβ1*cosγ1|)，其推导过程如下：

如图4-1、图4-2所示，设空间坐标系中Z、Y、X轴分别指向天、北、东三个方向，则罗盘坐标系中z、y、x轴分别指向上、右、前三个方向，罗盘坐标系姿态旋转为测量岩体产状的姿态时，罗盘绕Z轴旋转角为罗盘平旋角α1，角度范围为（0º~360 º），罗盘绕Y轴旋转角为罗盘翻滚角β1，角度范围为（-180º~180º），罗盘绕X轴旋转角为罗盘俯仰角γ1，角度范围为（-90º~90º）。

为便于计算，设定罗盘旋转先绕X轴，再绕Y轴，最后绕Z轴旋转。旋转角度满足右手法则。

根据罗盘旋转的余弦方向矩阵：

其数值为罗盘自身坐标系xyz轴单位向量在XYZ轴上的投影，由倾角定义可知，罗盘平面与水平面的夹角即为罗盘测量面的倾角，亦即两平面法向量夹角，由三角函数关系知：cosθ=cosγ1cosβ1，进而推导得出：θ=arccos(|cosγ1cosβ1|)。

当岩层倾角较缓（倾角＜75°）时，岩体倾向可通过绕连接轴2旋转调节测量主机位置至倾向指示小球5指向主陀螺仪模块y1轴方向（测量主机中轴线方向），直接读取α 1测得。

当岩层倾角过陡（倾角≥75°）时，采用主三轴陀螺仪进行倾向计算会存在误差偏大的问题，为了克服该问题，本发明引入与主测陀螺仪垂直放置的另一组辅陀螺仪（辅三轴陀螺仪），通过调整测量主机姿态，使倾向指示球指向辅陀螺仪z2轴反方向（测量主机中轴线方向），可通过

角直接测得岩体的倾向。

测量过程通过计算模块完成计算求值，并存储于存储模块中。

本发明的测量步骤如下：

1、放置测量板

将测量板1贴放于所测产状岩面的上（或下）面，或将测量板1插于岩体产状缝隙中紧贴所测产状的岩面放置，应保持测量主机上的球面向上。

2、目测倾角与倾向

磁性內球8受浮力和地磁作用会自动调平并指示北向，转动倾向拨盘6使0 º刻度点与磁性內球8上的指北标线9箭头方向（正北方向）重合，倾向指示小球5在重力作用下会自主绕环形凹槽4滚动到最低处（倾向方向），倾向指示小球5指示的刻度即为目测岩体产状的倾向；磁性內球8在浮力作用下保持水平状态，而测量主机的平面（上、下表面）与水平面产生的夹角即为岩体产状的倾角，其角度大小可通过磁性內球8的黑白分交线与透明外球7上部的同心环形刻度的最高处圆环刻度指示的角度目测。

3、电子测量、记录及计算

按压电源键10，倾向测量单元开始工作；

测量主机内的两组三轴陀螺仪会测量姿态角度，并根据本文中的计算方法，计算出倾角；

测量主机沿连接轴2旋转，当倾向指示小球停滞于测量主机“A”点时，触发条带状接触开关，开始测量记录倾向；同时通过GPS元件测量并记录测量点的位置信息；倾角、倾向位置信息通过液晶显示屏12显示出来；

S4、复核结果

对比液晶显示屏12上的结果和目测的倾角与倾向结果，当误差小于允许值时，电路自动记录测量点的倾角、倾向、经度、纬度数据；如果两者的结果差别较大，通过功能键11可选择清除记录数据，重新测量。

本发明与传统罗盘的性能对比：

传统罗盘：

测量时，要先选择岩石露头，当不满足测量需求时，需要用地质锤对产状面进行处理，对于窄小岩石露头面或节理缝隙，需要用地质锤敲打处理露头面，处理时间长且难度大；对于较低位的岩体露头下面（反向面）的产状进行测量时，需要测量人员采用蹲、趴等低位，测量难度大，容易产生数值误读；而且传统罗盘由于结构原因，罗盘调平及认指针方向等都需要使用者专门培训学习，且受人为因素影响较大，如果需要复测，基于地质工作的特殊性，难度大，时间长且花费高；工作时需要两人配合，一人测量一人记录，对测量人员要求较高。

本发明的电子智能式罗盘：

测量时可直接将测量板贴放或插入节理缝隙中，极大的节省了时间，对露头面要求低，适应性更广；对于岩体露头下面（反向面）的产状进行测量时，通过测量板与测量主机的空间几何关系即能有效解决岩面贴合与测量读数之间的矛盾；由于本装置具有手工测量和电子测量两部分功能，实用性强，易用性好，准确性高，准确率能充分保证，改善了测量人员的工作强度，很大程度上克服了人为因素的影响；本装置进行产状测量时仅需一人操作，提高了自动化水平，大大节省了测量时间，一般岩面测量可节省一半以上时间，特殊岩面的测量能节省时间三分之二以上时间；同时该装置采用蓝牙方式传输入手机和云端，数据时效性和安全性大大提高。

Claims (8)

1.一种电子智能式地质罗盘，其特征在于：包括一测量主机和一测量板；

所述测量板贴放在所述测量主机的下表面，通过设置在任一角位置处的连接轴铰链为一体；

所述测量主机上设置有倾向指示机构和由内置电源供电的倾向、倾角测量单元。

2.根据权利要求1所述的电子智能式地质罗盘，其特征在于：所述倾向指示机构包括开设在测量主机上表面带有透明上盖的环形凹槽，所述环形凹槽的圆心位于测量主机的中轴线上，所述环形凹槽内滚动设置有指示小球；远离连接轴位置的测量主机中轴线与环形凹槽交点A处的环形凹槽外环内壁和槽底分别设置有条带状接触开关，所述环形凹槽内侧设置有标识0 º~360 º环形刻度的倾向拨盘；位于所述倾向拨盘内的测量主机上设置有嵌套为一体的带有环形刻度的透明外球和带有磁极指示的磁性內球。

3.根据权利要求2所述的电子智能式地质罗盘，其特征在于：所述透明外球下半部嵌固于所述倾向拨盘内的测量主机体内。

4.根据权利要求2所述的电子智能式地质罗盘，其特征在于：所述磁性内球中填充有1/2体积的水平漂浮材料，在其上半圆外表面绘制有指北标线；所述磁性内球和透明外球之间充注有浮液。

5.根据权利要求1所述的电子智能式地质罗盘，其特征在于：所述倾向、倾角测量单元包括按键模块、陀螺仪模块、GPS模块、单片机、存储模块、显示模块和蓝牙模块；

所述按键模块包括电源键和功能设定键；

所述陀螺仪模块用以量测测量主机绕X、Y、Z三个轴向的旋转角度并传输至所述单片机；

所述GPS模块用于接收测量点的位置信息并传输至单片机；

所述单片机用于接收陀螺仪模块传输的数值信号并根据预设的计算程序计算求值，同时接收GPS模块传输的位置信息，并将处理过的各种信息分别传输至所述存储模块、所述显示模块和所述蓝牙模块；

所述存储模块用于接收单片机的信息并储存；

所述显示模块用于显示单片机发送的各种信息；

所述蓝牙模块用于接收单片机的信息并发送至外部蓝牙接收设备。

6.根据权利要求5所述的电子智能式地质罗盘，其特征在于：所述陀螺仪模块采用主、辅两组三轴陀螺仪。

7.根据权利要求1所述的电子智能式地质罗盘，其特征在于：所述测量板为与所述测量主机下表面尺寸相同的矩形结构。

8.采用权利要求1-7中任一项电子智能式地质罗盘测量岩体产状的方法，其特征在于：包括下述具体步骤：

S1、放置测量板

将测量板贴放于所测产状岩面的上/下面，或将测量板插于岩体产状缝隙中紧贴所测产状的岩面放置，保持测量主机上的球面向上；

S2、目测倾角与倾向

磁性內球受浮力和地磁作用自动调平并指示北向，转动倾向拨盘使0 º刻度点与磁性內球上的指北标线箭头方向重合，倾向指示小球在重力作用下自主绕环形凹槽滚动到最低处，倾向指示小球指示的刻度即为目测岩体产状的倾向；磁性內球在浮力作用下保持水平状态，测量主机的平面与水平面产生的夹角即为岩体产状的倾角，其角度大小可通过磁性內球的黑白分交线与透明外球上部的同心环形刻度的最高处圆环刻度指示的角度目测；

S3、电子测量、记录及计算

按压电源键，倾向测量单元开始工作，

测量主机内的主、辅两组三轴陀螺仪会测量姿态偏转角度，并根据主陀螺仪测量数据计算出倾角；

测量主机沿连接轴旋转，当倾向指示小球停滞于测量主机上的“A”点时，触发测量记录倾向；同时通过GPS元件测量并记录测量点的位置信息；倾角、倾向位置信息通过液晶显示屏显示出来；

S4、复核结果

对比液晶显示屏上的结果和目测的倾角与倾向结果，当误差小于允许值时，电路自动记录测量点的倾角、倾向、经度、纬度数据；如果两者的结果差别较大，通过功能键可选择清除记录数据，重新测量。

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