CN114166183B - 一种桥墩垂直度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥墩垂直度检测装置及检测方法，有效的解决了复杂地形桥墩垂直度检测难度大、受天气条件影响大的问题；解决的技术方案利用激光测距仪从桥面向桥墩进行两次测量，用激光发射器测量两次激光测距仪的发射角度，从而以桥墩母线为其中一边构建一个三角形进行求解得到桥墩的垂直度；本发明在桥面上即可对桥墩的倾斜度进行测量，不受桥下地形的影响，极大地减小了测量难度，特别对于位于深谷内的桥墩和河面上的桥墩效果尤为显著。

Description

一种桥墩垂直度检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及桥梁检测设备领域，具体是一种桥墩垂直度检测装置及检测方法。

背景技术

桥墩的垂直度是一个极其重要的参数，如果桥墩发生倾斜，则桥墩受力与其轴线不平行，极易发生断裂倒塌事故，因此在桥墩运营中定期对桥墩的垂直段进行检测极其重要；

目前检测桥墩的垂直度的方法有：吊垂线法、靠尺法、全站仪等方法，吊垂线法和靠尺法测量精度差，且受柱高、风向、地形等影响大，全站仪法需要找到一个能够完整观测到桥墩的位置，且受天气可视条件影响大；而更重要的是，以上各种方法测量，都需要在桥面下测量，要么需要到达桥墩处，要么需要在远处找到一个能够完整观测桥墩的位置，对于架设在深谷、水面、山地等桥下地形复杂的桥梁，这无疑带来了极大的测量难度和危险，甚至无法完成有效测量，因此，设计一种能在桥面完成桥墩垂直度检测的装置和方法将带来极大的实用价值。

发明内容

本发明提供了一种桥墩垂直度检测装置及检测方法，旨在解决目前复杂地形桥墩垂直度检测难度大、受天气条件影响大的问题。

一种桥墩垂直度检测装置，包括外伸探测单元和竖直激光发射单元，外伸探测单元包括一个竖直的固定杆和一个悬臂杆，悬臂杆的一端铰接在固定杆的上端，悬臂杆可绕铰接端转动，悬臂杆和固定杆的铰接端装有锁紧螺钉，悬臂杆的自由端上安装有一个激光测距仪和一个第一激光发射器，激光测距仪的发射方向与第一激光发射器的发射方向之间的夹角固定，且激光测距仪和第一激光发射器可同步绕同一个前后方向的水平轴转动；竖直激光发射单元包括一个支撑板，支撑板上圆周均布有三个调平螺栓，支撑板上固定有一个圆筒状的容器，容器轴线与支撑板垂直且容器透明，容器内装有水但未装满，容器的顶部固定有一个第二激光发射器，第二激光发射器的发射方向与容器的轴线平行，容器的侧壁上圆周均布有三组竖向的刻度，三组刻度与三个调平螺栓对应；所述的竖直激光发射单元后方设有一个竖直的背景板。

所述的悬臂杆的自由端开有第一空腔，悬臂杆上装有一根穿过第一空腔的横轴，激光测距仪和第一激光发射器固定在横轴的端部，第一空腔内安装有一组相啮合的大齿轮和小齿轮，大齿轮安装在横轴上，小齿轮连接有驱动电机。

所述的悬臂杆的自由端开有第二空腔，横轴穿过第二空腔且横轴上固定有一个位于第二空腔内的刹车盘，第二空腔的侧壁上开有多个径向的盲孔，每个盲孔内安装有一个滑杆，每个滑杆的外端固定有一个摩擦片，滑杆上安装有弹簧，在弹簧的压力下，多个摩擦片抱紧刹车盘侧壁。

所述的支撑板上固定有一个与其垂直的导杆，导杆上装有一个滑套，滑套上固定有一个水平的相机，相机正对背景板，导杆上沿长度方向固定有齿条，滑套上安装有与齿条啮合的齿轮，齿轮由电机驱动；所述的固定杆上设有显示相机视域的显示屏，显示屏视域的正中心设有十字光标。

还包括一个底板，固定杆的下端以及三个调平螺栓的下端均固定在底板上，底板上设有配重块。

所述的悬臂杆的自由端固定有一个反光镜。

使用上述装置的检测方法为：

步骤一：将底板稳定的放置在桥面边缘，并使悬臂杆的自由端斜向下伸出桥面外，拧紧锁紧螺钉将悬臂杆固定；

步骤二：打开激光测距仪，通过反光镜观察激光测距仪的光点是否能够打到桥墩上，如果不能，则移动底板位置直到激光测距仪的光点打到桥墩上；

步骤三：调节三个调平螺栓，使容器内的液面在三组刻度线对应的刻度相同，则第二激光发射器的发射方向被调为竖直；

步骤四：开启激光测距仪、第一激光发射器和第二激光发射器，记此时激光测距仪的位置为位置一，激光测距仪在桥墩上的光点位置D₁，记录激光测距仪的读数L₁，量取此时第一激光线和第二激光线的夹角a₁；

步骤五：通过驱动电机使激光测距仪和第一激光发射器转动任意角度，记此时激光测距仪的位置为位置二，激光测距仪在桥墩上的光点位置D₂，记录激光测距仪的读数L₂，量取此时第一激光线和第二激光线的夹角a₂；

步骤六：计算桥墩的倾斜度，过激光测距仪和第一激光发射器的发射原点O作竖直辅助线，在位置一，已知两条激光线的夹角a₁，则第一激光线与该竖直辅助线的夹角b₁与a₁为内错角，有b₁=a₁，设激光测距仪与第一激光发射器的定值夹角为g，则激光测距仪发射方向OD₁与该辅助线的夹角c₁=180°－b₁－g=180°－a₁－g；

在位置二，同理可计算c₂=180°－a₂－g；

由此可计算得位置一和位置二激光测距仪发射方向之间的夹角c=c₁－c₂；

至此已知三角形OD₁D₂的两边长L₁、L₂以及该两边的夹角c，先利用余弦定理，再利用正弦定理，可计算得∠OD₁D₂的值d₁，∠OD₂D₁的值d₂；过D₁点或D₂点作竖直辅助线，则有直线OD₁与该竖直辅助线的夹角e₁=c₁，直线OD₂与该竖直辅助线的夹角e₂=c₂，则有，桥墩与竖直辅助线的夹角即桥墩的倾斜度f=180°－d₁－e₁，或f=d₂－e₂。

在步骤四和步骤五中，量取两激光发射器的夹角时，可人工用量角工具量取，也可用相机拍摄照片后再对照片上的角度进行自动识别，识别角度的算法为现有技术，本发明不做赘述。

在步骤六中，可通过数学计算得到桥墩的倾斜度，也可按照测得的已知量通过CAD作图，用图解法得出倾斜度。

在步骤四和步骤五中，调节激光测距仪和第一激光发射器的位置时，应使激光测距仪的光点不超出桥墩的上下端，使第一激光发射器与第二激光发射器的激光交点不超出背景板范围。

本发明在桥面上即可对桥墩的倾斜度进行测量，不受桥下地形的影响，极大地减小了测量难度，特别对于位于深谷内的桥墩和河面上的桥墩效果尤为显著。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为竖直激光发射单元的主视图。

图3为悬臂杆自由端在第一空腔位置的主视剖视图。

图4为悬臂杆自由端在第二空腔位置的主视剖视图。

图5为悬臂杆自由端的俯视剖视图。

图6为图1中A位置的放大图。

图7为图1中B位置的放大图。

图8为本发明的原理图；图中粗点画线为位置一激光测距仪的和第一激光发射器的方向，粗虚线为位置二激光测距仪和第一激光发射器的方向，粗实线为第二激光发射器的方向。

具体实施方式

下文将参照附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

检测装置包括外伸探测单元和竖直激光发射单元，外伸探测单元包括一个竖直的固定杆1和一个悬臂杆2，悬臂杆2的一端铰接在固定杆1的上端，悬臂杆2可绕铰接端转动，悬臂杆2和固定杆1的铰接端装有锁紧螺钉3，可将悬臂杆2固定在任意角度，悬臂杆2的自由端上安装有一个激光测距仪4和一个第一激光发射器5，激光测距仪4的发射方向与第一激光发射器5的发射方向之间的夹角固定，竖直激光发射单元可发射竖直激光作为基准，用来测量第一激光发射器5的发射角度，又由于激光测距仪4与第一激光发射器5之间的夹角固定，因此可经过计算得出激光测距仪4的发射角度，用于后续的计算，且激光测距仪4和第一激光发射器5可同步绕同一个前后方向的水平轴转动，因此可测得两组激光测距仪4的角度值和长度值，经过推算三角函数的计算可得出桥墩的倾斜角度；竖直激光发射单元包括一个支撑板6，支撑板6上圆周均布有三个调平螺栓7，支撑板6上固定有一个圆筒状的容器8，容器8轴线与支撑板6垂直且容器8透明，容器8内装有水但未装满，容器8的顶部固定有一个第二激光发射器9，第二激光发射器9的发射方向与容器8的轴线平行，容器8的侧壁上圆周均布有三组竖向的刻度10，三组刻度10与三个调平螺栓7对应，由于容器8内的液面始终是一个水平面，因此通过三个调平螺栓7将容器8内的液面调整到在三组刻度10上对应的刻度10值相同，便可将容器8和第二激光发射器9调至竖直状态；所述的竖直激光发射单元后方设有一个竖直的背景板11，以背景板11为背景使激光线更易于分辨。

所述的悬臂杆2的自由端开有第一空腔12，悬臂杆2上装有一根穿过第一空腔12的横轴13，激光测距仪4和第一激光发射器5固定在横轴13的端部，第一空腔12内安装有一组相啮合的大齿轮14和小齿轮15，大齿轮14安装在横轴13上，小齿轮15连接有驱动电机16，驱动电机16通过齿轮组带动转轴转动，从而调整激光测距仪4和第一激光发射器5的角度。

所述的悬臂杆2的自由端开有第二空腔17，横轴13穿过第二空腔17且横轴13上固定有一个位于第二空腔17内的刹车盘18，第二空腔17的侧壁上开有多个径向的盲孔19，每个盲孔19内安装有一个滑杆20，每个滑杆20的外端固定有一个摩擦片21，滑杆20上安装有弹簧22，在弹簧22的压力下，多个摩擦片21抱紧刹车盘18侧壁；在驱动电机16不转动时，摩擦片21抱紧刹车盘18使横轴13不会被扰动，保证激光测距仪4和第一激光发射器5的角度稳定。

所述的支撑板6上固定有一个与其垂直的导杆23，导杆23上装有一个滑套24，滑套24上固定有一个水平的相机25，相机25正对背景板11，导杆23上沿长度方向固定有齿条26，滑套24上安装有与齿条26啮合的齿轮27，齿轮27由电机驱动；通过齿轮27和齿条26可带动滑套24和相机25上下移动，当相机25移动到与第一激光线与第二激光线的交点等高正对时，相机25以背景板11为背景对两条激光线进行拍照；所述的固定杆1上设有显示相机25视域的显示屏28，显示屏28视域的正中心设有十字光标，当十字光标与两条激光线的交点重合时进行拍照，此时相机25对两条激光的夹角是正视，因此不会出现角度失真。

还包括一个底板29，固定杆1的下端以及三个调平螺栓7的下端均固定在底板29上进行整体移动，底板29上设有配重块30，避免悬臂杆2伸出时底板29侧翻。

所述的悬臂杆2的自由端固定有一个反光镜31，通过反光镜31可方便的观察激光测距仪4是否打到了桥墩上。

使用上述装置的检测方法为：

步骤一：将底板稳定的放置在桥面边缘，并使悬臂杆的自由端斜向下伸出桥面外，拧紧锁紧螺钉将悬臂杆固定；

步骤二：打开激光测距仪，通过反光镜观察激光测距仪的光点是否能够打到桥墩上，如果不能，则移动底板位置直到激光测距仪的光点打到桥墩上；

步骤三：调节三个调平螺栓，使容器内的液面在三组刻度线对应的刻度相同，则第二激光发射器的发射方向被调为竖直；

步骤四：开启激光测距仪、第一激光发射器和第二激光发射器，记此时激光测距仪的位置为位置一，激光测距仪在桥墩上的光点位置D₁，记录激光测距仪的读数L₁，量取此时第一激光线和第二激光线的夹角a₁；

步骤五：通过驱动电机使激光测距仪和第一激光发射器转动任意角度，记此时激光测距仪的位置为位置二，激光测距仪在桥墩上的光点位置D₂，记录激光测距仪的读数L₂，量取此时第一激光线和第二激光线的夹角a₂；

步骤六：计算桥墩的倾斜度，参考图8，过激光测距仪和第一激光发射器的发射原点O作竖直辅助线，在位置一，已知两条激光线的夹角a₁，则第一激光线与该竖直辅助线的夹角b₁与a₁为内错角，有b₁=a₁，设激光测距仪与第一激光发射器的定值夹角为g，则激光测距仪发射方向OD₁与该辅助线的夹角c₁=180°－b₁－g=180°－a₁－g；

在位置二，同理可计算c₂=180°－a₂－g；

由此可计算得位置一和位置二激光测距仪发射方向之间的夹角c=c₁－c₂；

至此已知三角形OD₁D₂的两边长L₁、L₂以及该两边的夹角c，先利用余弦定理，再利用正弦定理，可计算得∠OD₁D₂的值d₁，∠OD₂D₁的值d₂，正弦定理和余弦定理是基础常识，在此不再做详细推导；过D₁点或D₂点作竖直辅助线，则有直线OD₁与该竖直辅助线的夹角e₁=c₁，直线OD₂与该竖直辅助线的夹角e₂=c₂，则有，桥墩与竖直辅助线的夹角即桥墩的倾斜度f=180°－d₁－e₁，或f=d₂－e₂。

在步骤四和步骤五中，量取两激光发射器的夹角时，可人工用量角工具量取，也可用相机拍摄照片后再对照片上的角度进行自动识别，识别角度的算法为现有技术，本发明不做赘述。

在步骤六中，可通过数学计算得到桥墩的倾斜度，也可按照测得的已知量通过CAD作图，用图解法得出倾斜度。

在步骤四和步骤五中，调节激光测距仪和第一激光发射器的位置时，应使激光测距仪的光点不超出桥墩的上下端，而且以两次光点之间的距离尽量大为宜，使第一激光发射器与第二激光发射器的激光交点不超出背景板范围。

本发明通过悬臂杆和激光测距仪从桥侧构建一个以桥墩母线为其中一边的三角形，然后通过三角函数求解三角形，进而解得桥墩的倾斜度，利用本装置和方法，在桥面上即可对桥墩的倾斜度进行测量，不需到桥面下，不受桥面下地形的影响，极大地减小了测量难度，特别对于位于深谷内的桥墩和河面上的桥墩效果尤为显著；

另外，本发明不受天气可视条件的影响，不需寻找可完整观测到整个桥墩的合适观测位置，适应性强。

Claims (8)

1.一种桥墩垂直度检测装置，其特征在于，包括外伸探测单元和竖直激光发射单元，外伸探测单元包括一个竖直的固定杆（1）和一个悬臂杆（2），悬臂杆（2）的一端铰接在固定杆（1）的上端，悬臂杆（2）可绕铰接端转动，悬臂杆（2）和固定杆（1）的铰接端装有锁紧螺钉（3），悬臂杆（2）的自由端上安装有一个反光镜（31）、一个激光测距仪（4）和一个第一激光发射器（5），激光测距仪（4）的发射方向与第一激光发射器（5）的发射方向之间的夹角固定，且激光测距仪（4）和第一激光发射器（5）可同步绕同一个前后方向的水平轴转动；竖直激光发射单元包括一个支撑板（6），支撑板（6）上圆周均布有三个调平螺栓（7），支撑板（6）上固定有一个圆筒状的容器（8），容器（8）轴线与支撑板（6）垂直且容器（8）透明，容器（8）内装有水但未装满，容器（8）的顶部固定有一个第二激光发射器（9），第二激光发射器（9）的发射方向与容器（8）的轴线平行，容器（8）的侧壁上圆周均布有三组竖向的刻度（10），三组刻度（10）与三个调平螺栓（7）对应；所述的竖直激光发射单元后方设有一个竖直的背景板（11）；

所述的支撑板（6）上固定有一个与其垂直的导杆（23），导杆（23）上装有一个滑套（24），滑套（24）上固定有一个水平的相机（25），相机（25）正对背景板（11），导杆（23）上沿长度方向固定有齿条（26），滑套（24）上安装有与齿条（26）啮合的齿轮（27），齿轮（27）由电机驱动；所述的固定杆（1）上设有显示相机（25）视域的显示屏（28），显示屏（28）视域的正中心设有十字光标。

2.根据权利要求1所述的一种桥墩垂直度检测装置，其特征在于，所述的悬臂杆（2）的自由端开有第一空腔（12），悬臂杆（2）上装有一根穿过第一空腔（12）的横轴（13），激光测距仪（4）和第一激光发射器（5）固定在横轴（13）的端部，第一空腔（12）内安装有一组相啮合的大齿轮（14）和小齿轮（15），大齿轮（14）安装在横轴（13）上，小齿轮（15）连接有驱动电机（16）。

3.根据权利要求1所述的一种桥墩垂直度检测装置，其特征在于，所述的悬臂杆（2）的自由端开有第二空腔（17），横轴（13）穿过第二空腔（17）且横轴（13）上固定有一个位于第二空腔（17）内的刹车盘（18），第二空腔（17）的侧壁上开有多个径向的盲孔（19），每个盲孔（19）内安装有一个滑杆（20），每个滑杆（20）的外端固定有一个摩擦片（21），滑杆（20）上安装有弹簧（22），在弹簧（22）的压力下，多个摩擦片（21）抱紧刹车盘（18）侧壁。

4.根据权利要求1所述的一种桥墩垂直度检测装置，其特征在于，还包括一个底板（29），固定杆（1）的下端以及三个调平螺栓（7）的下端均固定在底板（29）上，底板（29）上设有配重块（30）。

5.一种桥墩垂直度检测方法，其特征在于，所述的检测方法需使用权利要求1-4任一项所述的检测装置，包括如下步骤：

步骤一：将底板稳定的放置在桥面边缘，并使悬臂杆的自由端斜向下伸出桥面外，拧紧锁紧螺钉将悬臂杆固定；

步骤二：打开激光测距仪，通过反光镜观察激光测距仪的光点是否能够打到桥墩上，如果不能，则移动底板位置直到激光测距仪的光点打到桥墩上；

步骤三：调节三个调平螺栓，使容器内的液面在三组刻度线对应的刻度相同，则第二激光发射器的发射方向被调为竖直；

步骤四：开启激光测距仪、第一激光发射器和第二激光发射器，记此时激光测距仪的位置为位置一，激光测距仪在桥墩上的光点位置D₁，记录激光测距仪的读数L₁，量取此时第一激光线和第二激光线的夹角a₁；

步骤五：通过驱动电机使激光测距仪和第一激光发射器转动任意角度，记此时激光测距仪的位置为位置二，激光测距仪在桥墩上的光点位置D₂，记录激光测距仪的读数L₂，量取此时第一激光线和第二激光线的夹角a₂；

步骤六：计算桥墩的倾斜度，过激光测距仪和第一激光发射器的发射原点O作竖直辅助线，在位置一，已知两条激光线的夹角a₁，则第一激光线与该竖直辅助线的夹角b₁与a₁为内错角，有b₁=a₁，设激光测距仪与第一激光发射器的定值夹角为g，则激光测距仪发射方向OD₁与该辅助线的夹角c₁=180°－b₁－g=180°－a₁－g；

在位置二，同理可计算c₂=180°－a₂－g；

由此可计算得位置一和位置二激光测距仪发射方向之间的夹角c=c₁－c₂；

至此已知三角形OD₁D₂的两边长L₁、L₂以及该两边的夹角c，先利用余弦定理，再利用正弦定理，可计算得∠OD₁D₂的值d₁，∠OD₂D₁的值d₂，过D₁点或D₂点作竖直辅助线，则有直线OD₁与该竖直辅助线的夹角e₁=c₁，直线OD₂与该竖直辅助线的夹角e₂=c₂，则有，桥墩与竖直辅助线的夹角即桥墩的倾斜度f=180°－d₁－e₁，或f=d₂－e₂。

6.根据权利要求5所述的一种桥墩垂直度检测方法，其特征在于，在步骤四和步骤五中，量取两激光发射器的夹角时，可人工用量角工具量取，也可用相机拍摄照片后再对照片上的角度进行自动识别。

7.根据权利要求5所述的一种桥墩垂直度检测方法，其特征在于，在步骤六中，可通过数学计算得到桥墩的倾斜度，也可按照测得的已知量通过CAD作图，用图解法得出倾斜度。

8.根据权利要求5所述的一种桥墩垂直度检测方法，其特征在于，在步骤四和步骤五中，调节激光测距仪和第一激光发射器的位置时，使激光测距仪的光点不超出桥墩的上下端，而且以两次光点之间的距离尽量大为宜，使第一激光发射器与第二激光发射器的激光交点不超出背景板范围。