[发明专利]空间杆件倾斜角度的非接触式测量设备及测量方法

说明书

本发明公开了一种空间杆件倾斜角度的非接触式测量方法，包括如下步骤：1)建立全局空间直角坐标系、拍摄装置局部空间直角坐标系以及局部平面直角坐标系；2)确定待测杆件，对所述待测杆件进行第一次拍摄，得到第一组角度参数，根据所述第一组角度参数计算得到待测杆件轴线所处第一空间平面的法向向量；3)对所述待测杆件进行第二次拍摄，得到第二组角度参数，根据所述第二组角度参数计算得到所述待测杆件轴线所处第二空间平面的法向向量；4)所述计算分析模块根据第一空间平面的法向向量、第二空间平面的法向向量计算所述待测杆件轴线所处空间方向的方向向量；5)所述计算分析模块根据方向向量计算待测杆件轴线相对水平面或其他平面的倾斜角度。

技术领域

本发明属于杆件测量技术领域，具体涉及一种空间杆件倾斜角度的非接触式测量方法以及用于空间杆件倾斜角度非接触式测量的设备。

背景技术

杆件是建筑结构领域运用最为广泛的结构件之一，杆件的正确安装、定期检查以及合理运维都是保证其功能得以实现的重要环节。然而，杆件的空间角度的确定一直是工程上较为复杂的问题。目前确定空间杆件角度的方法仍基本都采用接触式测量方法，这给工程建设及检查维护带来很大困难和安全隐患。

以电力及化工行业内管道支吊架的设计、安装与运维为例，为了防止吊架在水平方向上对管道施加过大的附加荷载，设计上对不同类型吊架的吊杆倾斜角度都有明确的规定，在基建及后期检查维护中都需要对每个吊架的倾斜角度进行测量确定以防止吊架倾斜角度超标对管道运行状态产生不利影响(例如发电厂管道刚性吊架倾斜度要求不超过3°)。由于管道吊架大多处于高空，以现有的接触式测量手段测量吊架倾斜角度需要搭建大量脚手架平台，且测量作业属于高处作业，存在较大安全隐患。测量过程中，由于空间方向不易确定，也会导致测量误差较大。

直至20世纪八十年代末，全站型电子速测仪(简称全站仪)被发明后，空间点或构件的坐标、倾斜角度等数据的非接触式测量才得以实现。利用全站仪定位是目前最先进的空间定位方式，将仪器固定后确定基准坐标系(常采用水平及竖直轴确定基准坐标系)，通过测量目标点相对坐标原点的角度和距离，可以定位空间点在基准坐标系下的准确坐标。对于空间杆件，可以通过定位杆件中心轴上两个点的坐标即可计算空间杆件相对基准坐标系的坐标轴或坐标平面之间的倾斜角度。同时还可以通过坐标转换计算空间杆件相对于任意空间坐标系的位置和倾斜角度，实现空间杆件倾斜角度的非接触式测量。但该方法也存在局限性，由于整个测量过程中需要设备完全固定，给在许多特殊环境中的测量带来不便甚至无法测量。

所以目前能用于测量空间杆件角度的方法主要分为两类：

第一类是采用机械式测量工具进行接触式测量。该类测量方法主要利用重力方向竖直向下的原理，因此主要采用有水平面内相互垂直的坐标轴结合竖直轴构成的空间直角坐标系作为基准坐标系。利用重力设计相应的测量设备或仪器，利用测量设备或仪器的定位装置与待测杆件贴合并调整角度使之与待测杆件轴线平行，从而实现接触式测量杆件相对水平面或竖直轴的倾斜角度。该类方法主要有以下缺点：

1)需要接触式测量，对处于高空的杆件测量准备工作量大且测量风险高、效率低。

2)由于基准坐标选择的局限性，只能测量杆件相对竖直轴或水平面的倾斜角度，无法精确定位杆件在指定坐标系下的相对位置也即无法用函数对其进行描述。

3)由于采用机械式测量且空间角度不宜定位等因素导致测量误差较大。

第二类是采用全站仪或类似技术进行非接触式测量。该类方法将角度测量技术和距离测量技术相结合实现空间点的坐标定位。利用该方法，可以实现空间杆件倾斜角度的非接触式测量。但该类方法在测量过程中需要保证仪器完全固定以确保基准坐标系的坐标原点在空间不发生变化，否则会给测量带来较大误差。该类方法主要有以下缺点：

1)设备使用前需要完全固定，在很多环境中很难找到合适的固定基础，对空间结构比较复杂的位置，运用不方便或受限无法使用。