CN111929697A - 隧道内高度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道内高度测量装置及方法，包括底座、控制器，底座下部两侧设置有间距为钢轨内径大小的卡具，底座通过两端的卡具与钢轨内侧面紧密贴合，底座顶部的中心设置控制器，用于高度测量，控制器包括壳体，壳体内设置有主控电路板、电源以及电机，壳体上设置按钮、液晶显示屏以及激光测距传感器，电机为激光测距传感器旋转提供动力，电源为主控电路板、电机、激光测距传感器供电，电机、按钮、液晶显示屏以及激光测距传感器均与主控电路板上的处理器电性连接。采用本发明激光测距传感器进行高度测量，自动化程度高，操作简单，精度高，自动测量并准确定位，提高工作效率；测量不存在“盲区”；该装置体积小、结构简单，组装、搬运方便。

Description

隧道内高度测量装置及方法

技术领域

本发明具体涉及一种隧道内高度的测量装置及方法。

背景技术

在地铁施工中，需要在弧形隧道壁上安装设备时，需要准确测量轨面至设备安装高度，定位设备的安装位置。参见图1，以弱电电缆支架安装为例进行说明：从示意图中可以看出，弱电电缆支架安装高度为以面为基准，距轨面高2130mm，由于隧道属于圆形隧道，因此无法直接使用钢卷尺等测量装置测量并标记高于轨面2130mm在隧道壁上的位置，现有的测量、定位方法采用如下方法（参见图2）：将带滑轮的移动式平板车放置于钢轨上，在平板车上固定带有刻度的塔尺，塔尺上部装有可上下移动的激光笔，激光笔距塔尺零标处的高度记为H，计算塔尺零标处距轨面的高度，记为X，则激光笔的固定高度为H=2130-X，此时激光笔标记在隧道壁上的位置即为距轨面2130mm处，即弱电电缆支架安装位置。

上述现有的测量方法使用到的装置在每一次施工前都需要组装，由于隧道内需要安装的设备高度通常在五米内，因此需要使用可伸缩的塔尺才能满足测量需求。该测量方法存在以下误差：

1、测量需要人工进行调整，不能实现自动化；

2、体积较大，不便于携带组装；

3、装设于塔尺上部的激光笔需要调水平，人工调整存在误差，激光笔距隧道壁距离通常大于1.5米，会将放大激光笔的水平误差。

地铁盾构隧道通常为弧形隧道，隧道内空间紧张、各系统设备繁杂，如图3所示。在隧道壁上安装设备时，为满足设备自身参数要求、不影响其他设备安装位置，精确定位设备安装位置就显得尤为重要。而确定设备安装位置的重要数据为设备安装高度。设备安装高度通常指轨面至设备的垂直高度，由于盾构隧道通常为弧形，因此无法直接测量设备至轨面的垂直高度。

除了上述通过塔尺装有可上下移动的激光笔进行测定的方法，如授权公告号CN208688391 U、专利名称为隧道内壁高度测量车，以及授权公告号CN 206756140 U、专利名称为一种隧道壁设备安装高度定位装置对隧道内高度的测定均有报道：专利CN 208688391U（隧道内壁高度测量车）的测量原理与前述现有高度测量方法基本一致，通过将高度测量车放置于钢轨上，调节测量车中部的伸缩尺至目标高度，伸缩尺上部固定的激光笔在隧道壁上进行标记，此标记位置即为设备安装位置，高度测量车结构图图4所示，图中：1为车体，2为轨道轮，3为推车把手，4为万向水平仪4，5为伸缩尺底座5，6为伸缩尺，7为激光笔，8为水平仪，9为水平固定座，10为底座，11为支架圈，12为激光通孔，13为调节螺钉。该方法存在以下缺点：测量需要人工进行调整，不能实现自动化；体积较大，不便于携带组装；装设于塔尺上部的激光笔需要调水平，人工调整存在误差，激光笔距隧道壁距离通常大于1.5米，会将放大激光笔的水平误差。现有技术需要搬运的装置较大，每次使用前需组装、调试，测量需要人工调整伸缩尺，不便于施工。而专利CN 206756140 U（一种隧道壁设备安装高度定位装置）的设备结构如下图5、图6所示。测量方法为:如图5-6所示，在使用本实施例提供的隧道壁设备安装高度定位装置时，将方形条钢1横跨过两根轨道100，且将其下表面紧贴在轨道100上，挡板2卡在一根轨道100的外侧以固定方形条钢1，打开激光测距仪3，并移动激光测距仪3，当显示屏中显示的数值为施工设计图上设备安装的高度值时，激光在隧道壁上形成的点就是设备安装点，工作人员在该点上进行标记后即可安装设备（图5中：1-方形条钢；2-挡板；3-激光测距仪；4-侧翼；5-滑槽；6-第一滑块；7-第二滑块；8-紧固螺钉；100-轨道）。此方法存在以下缺点：存在测量“盲区”，如下图7所示，将测量装置放置在钢轨上，当激光测距仪移动至隧道壁时，无法继续测量“盲区”区域；需人工操作进行测量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出隧道内高度测量装置及测量方法，该装置体积小、携带方便，通过该装置进行的测量方法解决现有技术中存在的需要人工测量、测量存在盲区以及测量精确度低的问题。

本发明实现其发明目的之一，所采用的技术方案是：一种隧道内高度测量装置，包括底座、控制器，底座下部两侧设置有间距为钢轨内径大小的卡具，底座通过两端的卡具与钢轨内侧面紧密贴合，底座顶部的中心设置控制器，用于高度测量，控制器包括壳体，壳体内设置有主控电路板、电源以及电机，壳体上设置按钮、液晶显示屏以及激光测距传感器，电机为激光测距传感器旋转提供动力，电源为主控电路板、电机、激光测距传感器供电，电机、按钮、液晶显示屏以及激光测距传感器均与主控电路板的芯片电性连接。

进一步的，电机输出轴上设置连接件，激光测距传感器设置在连接件上。

控制器高度测量的工作原理为：控制器可通过按钮输入需要定位的高度，液晶显示屏可以显示当前激光测距传感器旋转角度、定位高度、测距长度等信息。激光测距传感器可以精确测量自身到被测物的距离，同时发射红色可见光线定位被测物，将测量的信息输入到处理器。连接件可以连接激光测距传感器和电机，通过电机旋转带动激光测距传感器旋转。电机为可精确控制旋转角度的步进电机，通过控制器输出旋转角度信号达到控制电机旋转的目的，进而带动激光测距传感器旋转。控制器可以接收按钮和激光测距传感器发出的信号，输出控制电机旋转角度和液晶显示屏显示信息的信号。

隧道内高度测量方法，包括以下步骤：

将控制器和底座组装后放置于钢轨中间，底座带有的钢轨卡具紧密贴合在钢轨内侧；启动控制器，使用控制器的按钮输入需要安装的设备的目标高度，控制器通过精确控制电机旋转带动激光测距传感器转动，激光测距传感器测量到被测物的距离并将数据传输至控制器内部的处理器，由处理器根据电机旋转角度和测量距离计算出被测点距轨面的垂直高度，并将垂直高度显示于液晶显示屏上;采用二分法搜索，通过调整电机的角度得到目标高度的位置,二分法的角度范围为0-90度，该过程包括以下步骤：步骤1，电机旋转90度的一半，即激光测距传感器与钢轨平面的夹角为45度；

步骤2，激光测距传感器测量出此时距离隧道壁的距离，通过三角函数计算出隧道壁距离轨面的高度值，将此高度值与目标高度进行比较：

若高度值小于目标高度，电机旋转至45度的基础上增加45度的一半角度，即67.5度，计算得到此时的高度值，若此时的高度值仍小于目标高度，继续二分法搜索，电机旋转的角度为上一次旋转角度加上本次一半角度的二分角度，直到计算得到的高度值与目标高度的差值范围小于误差允许范围；

若高度值大于目标高度，电机旋转至45度的基础上减少45度的一半角度，即22.5度，计算得到此时的高度值，若此时的高度值仍大于于目标高度，继续二分法搜索，电机旋转的角度为上一次旋转角度减掉本次一半角度的二分角度，直到计算得到的高度值与目标高度的差值范围小于误差允许范围；

步骤3，计算得到的高度值与目标高度的差值范围小于误差允许范围，将此时高度值的位置通过激光测距传感器发射红色可见光线至隧道壁上进行标记，标记位置即为最终设备安装位置。

二分法搜索步骤具体示例如：

首先将电机旋转至45度，测量被测点距轨面的垂直高度，记为H1；将H1与目标高度进行比较，若H1＜目标高度，则旋转电机至67.5度测量被测点距轨面的垂直高度，记为H2，若H1＞目标高度，则旋转电机至22.5度测量被测点距轨面的垂直高度，记为H2；

将H2与目标高度进行比较，若H1＜H2＜目标高度，则旋转电机至78.75度测量被测点距轨面的垂直高度，记为H3；若H2＞目标高度＞H1，则旋转电机至56.25度测量被测点距轨面的垂直高度，记为H3；若H1＞目标高度＞H2，则旋转电机至33.75度测量被测点距轨面的垂直高度，记为H3；若H1＞H2＞目标高度，则旋转电机至12.25度测量被测点距轨面的垂直高度，记为H3；

重复以上步骤，比较被测点距轨面垂直高度Hn与目标高度大小，直至Hn与目标高度的差值小于误差允许范围内；

此时，将激光测距传感器发射红色可见光线至隧道壁上进行标记，标记位置即为最终设备安装位置。

进一步的，所述误差允许范围控制在10mm以内。

高度测量方法的原理为：通过激光距离传感器测量被测点的距离L和电机旋转角度β来计算被测点的垂直高度，通过公式H=L*Sinβ可以计算出被测点的距轨面的垂直高度，运用此方法即可获得测量并确定设备的安装位置。

本发明的有益效果是：该测量装置体积小、结构简单，组装、搬运方便；采用激光测距传感器进行高度测量，自动化程度高，操作简单，自动测量并准确定位，通过二分法计算安装高度提高了工作效率；定位准确且测量不存在“盲区”。

附图说明

图1为现有技术中弱电电缆支架安装示意图。

图2为现有技术隧道内高度的测量方法示意图。

图3为隧道内设备安装的位置示意图。

图4为现有技术的结构示意图。

图5、图6为现有技术的结构示意图。

图7为现有技术存在的缺陷分析图。

图8为本发明装置壳体表面的结构示意图。

图9为本发明装置的侧面图。

图10为步进电机结构示意图。

图11为本发明装置的使用状态示意图。

图12为本发明测量方法的原理示意图。

图13-图19为本发明测量方法的过程示意图。

图20-图25为弱电电缆支架安装高度的确定实施例的测量方法过程示意图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

实施例一，参见图8、图9、图10、图11，一种隧道内高度测量装置，包括底座1、控制器2，底座下部两侧设置有间距为钢轨内径大小的卡具3，底座通过两端的卡具与钢轨4内侧面紧密贴合，底座顶部的中心设置控制器，用于高度测量，控制器包括壳体21，壳体底部可采用螺栓与底座固定，壳体内设置有主控电路板、电源以及电机27，壳体上设置按钮23、液晶显示屏24以及激光测距传感器25，电机为激光测距传感器旋转提供动力，电源为主控电路板、电机、激光测距传感器供电，电机、按钮、液晶显示屏以及激光测距传感器均与主控电路板的处理器电性连接。

本实施例的电机输出轴22上设置连接件26，该连接件为L型套筒结构，L型套筒一端固定在电机的输出轴上，另一端固定激光测距传感器，电机输出轴旋转带动激光测距传感器转动。

本发明的隧道内高度测量方法，包括以下步骤：

将控制器和底座组装后放置于钢轨中间，底座带有的钢轨卡具紧密贴合在钢轨内侧；启动控制器，使用控制器的按钮输入需要安装的设备的目标高度，控制器通过精确控制电机旋转带动激光测距传感器转动，激光测距传感器测量到被测物的距离并将数据传输至控制器内部的处理器，由处理器根据电机旋转角度和测量距离计算出被测点距轨面的垂直高度，并将垂直高度显示于液晶显示屏上;通过角度二分法搜索得到目标高度的位置。

进一步的，所述角度二分法为0-90度的角度范围。

角度二分法搜索得到目标高度的位置具体为：

步骤1，电机旋转90度的一半，即激光测距传感器与钢轨平面的夹角为45度；

步骤2，激光测距传感器测量出此时距离隧道壁的距离，通过三角函数计算出隧道壁距离轨面的高度值，将此高度值与目标高度进行比较；

若高度值小于目标高度，电机旋转至45度的基础上增加45度的一半角度，即67.5度，计算得到此时的高度值，若此时的高度值仍小于目标高度，继续二分法搜索，电机旋转的角度为上一次旋转角度加上本次一半角度的二分角度，直到计算得到的高度值与目标高度的差值范围小于误差允许范围；

若高度值大于目标高度，电机旋转至45度的基础上减少45度的一半角度，即22.5度，计算得到此时的高度值，若此时的高度值仍大于于目标高度，继续二分法搜索，电机旋转的角度为上一次旋转角度减掉本次一半角度的二分角度，直到计算得到的高度值与目标高度的差值范围小于误差允许范围。

具体为：首先将电机旋转至45度，测量被测点距轨面的垂直高度，记为H1；将H1与目标高度进行比较，若H1＜目标高度，则旋转电机至67.5度测量被测点距轨面的垂直高度，记为H2，若H1＞目标高度，则旋转电机至22.5度测量被测点距轨面的垂直高度，记为H2；

将H2与目标高度进行比较，若H1＜H2＜目标高度，则旋转电机至78.75度测量被测点距轨面的垂直高度，记为H3；若H2＞目标高度＞H1，则旋转电机至56.25度测量被测点距轨面的垂直高度，记为H3；若H1＞目标高度＞H2，则旋转电机至33.75度测量被测点距轨面的垂直高度，记为H3；若H1＞H2＞目标高度，则旋转电机至33.75度测量被测点距轨面的垂直高度，记为H3；

重复以上步骤n次，每次比较被测点距轨面垂直高度Hn与目标高度大小，直至Hn与目标高度的差值小于误差允许范围内；

此时，将激光测距传感器发射红色可见光线至隧道壁上进行标记，标记位置即为最终设备安装位置。

所述误差允许范围控制在10mm以内。

上述具体过程计算原理图及二分法过程图参见图12、以及图13-图19。

采用上述实施例一装置及方法进行弱电电缆支架安装高度的确定，隧道内的设备按照强、弱电进行划分，强电设备安装于行车方向的左侧，弱电设备安装于行车方向的右侧，因此本实施例弱电电缆支架安装于行车方向右侧、安装高度为2130mm，电机采用步距角为0.9度的步进电机，其安装高度的确定包括如下步骤：S1、将测量装置组装后放置于钢轨平面上，输入目标高度2130mm后开始测量。电机带动测距传感器旋转45度角后，测距传感器测量到隧道壁的距离为3540mm，通过公式H=L*Sinβ，将L=3540、β=45°带入公式可得被测点至轨面的垂直高度为2503mm，即为H1，如图20所示；

S2、将H1与目标高度2130比较，可知H1=2503＞2130mm，电机带动测距传感器旋转至22.5度角，测距传感器测量到隧道壁的距离为2773mm，通过公式H=L*Sinβ，将L=2773、β=22.5°带入公式可得被测点至轨面的垂直高度为1171mm，即为H2，如图21所示；

S3、将H2与目标高度2130比较，可知H2=1171＜2130mm。电机带动测距传感器旋转至33.3度角，测距传感器测量到隧道壁的距离为3108mm，通过公式H=L*Sinβ，将L=3108、β=33.3°带入公式可得被测点至轨面的垂直高度为1706mm，即为H3，如图22所示；

S4、将H3与目标高度2130比较，可知H3=1706＜2130mm。电机带动测距传感器旋转至38.7度角，测距传感器测量到隧道壁的距离为3319mm，通过公式H=L*Sinβ，将L=3319、β=38.7°带入公式可得被测点至轨面的垂直高度为2076mm，记为H4，如图23所示；

S5、将H4与目标高度2130比较，可知H4=2076＜2130mm。电机带动测距传感器旋转至41.4度角，测距传感器测量到隧道壁的距离为3421mm，通过公式H=L*Sinβ，将L=3421、β=41.4°带入公式可得被测点至轨面的垂直高度为2262mm，记为H5，如图24所示；

S6、将H5与目标高度2130比较，可知H5=2262大于2130mm。电机带动测距传感器旋转至39.6度角，测距传感器测量到隧道壁的距离为3351mm，通过公式H=L*Sinβ，将L=335、β=39.6°带入公式可得被测点至轨面的垂直高度为2136mm，记为H6，如图25所示；

S7、将H6与目标高度相减可得垂直高度误差S=2136-2130=6mm，S＜10mm，在上述要求的误差范围内，在隧道壁上标记H6位置，此处即为弱电电缆支架安装位置，至此结束测量。

该测量装置体积小、结构简单，组装、搬运方便；采用激光测距传感器进行高度测量，自动化程度高，操作简单，自动测量并准确定位，通过二分法计算安装高度提高了工作效率；定位准确且测量不存在“盲区”。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种隧道内高度测量装置，其特征在于：包括底座、控制器，底座下部两侧设置有间距为钢轨内径大小的卡具，底座通过两端的卡具与钢轨内侧面紧密贴合，底座顶部的中心设置控制器，用于高度测量，控制器包括壳体，壳体内设置有主控电路板、电源以及电机，壳体上设置按钮、液晶显示屏以及激光测距传感器，电机为激光测距传感器旋转提供动力，电源为主控电路板、电机、激光测距传感器供电，电机、按钮、液晶显示屏以及激光测距传感器均与主控电路板上的处理器电性连接。

2.根据权利要求1所述的隧道内高度测量装置，其特征在于：电机输出轴上设置连接件，激光测距传感器设置在连接件上。

3.根据权利要求2所述的隧道内高度测量装置，其特征在于：所述连接件为L型套筒结构。

4.一种隧道内高度测量方法，采用权利要求1-3任一所述的隧道内高度测量装置，其特征在于：包括以下步骤，将控制器和底座组装后放置于钢轨中间，底座带有的钢轨卡具紧密贴合在钢轨内侧；启动控制器，使用控制器的按钮输入需要安装的设备的目标高度，控制器通过精确控制电机旋转带动激光测距传感器转动，激光测距传感器测量到被测物的距离并将数据传输至控制器内部的处理器，由处理器根据电机旋转角度和测量距离计算出被测点距轨面的垂直高度，并将垂直高度显示于液晶显示屏上;通过角度二分法搜索得到目标高度的位置。

5.根据权利要求4所述的隧道内高度测量方法，其特征在于：所述角度二分法的角度范围为0-90度。

6.根据权利要求5所述的隧道内高度测量方法，其特征在于：所述角度二分法搜索得到目标高度的位置具体为：

步骤1，电机旋转90度的一半，即激光测距传感器与钢轨平面的夹角为45度；

步骤2，激光测距传感器测量出此时距离隧道壁的距离，通过三角函数计算出隧道壁距离轨面的高度值，将此高度值与目标高度进行比较：

若高度值小于目标高度，电机旋转至45度的基础上增加45度的一半角度，即67.5度，计算得到此时的高度值，若此时的高度值仍小于目标高度，继续二分法搜索，电机旋转的角度为上一次旋转角度加上本次一半角度的二分角度，直到计算得到的高度值与目标高度的差值范围小于误差允许范围；

若高度值大于目标高度，电机旋转至45度的基础上减少45度的一半角度，即22.5度，计算得到此时的高度值，若此时的高度值仍大于于目标高度，继续二分法搜索，电机旋转的角度为上一次旋转角度减掉本次一半角度的二分角度，直到计算得到的高度值与目标高度的差值范围小于误差允许范围；

步骤3，计算得到的高度值与目标高度的差值范围小于误差允许范围，将此时高度值的位置通过激光测距传感器发射红色可见光线至隧道壁上进行标记，标记位置即为最终设备安装位置。

7.根据权利要求6所述的隧道内高度测量方法，其特征在于：所述误差允许范围控制在10mm以内。

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