一种基于三角半径测量法的深孔测量系统和方法

技术领域

本发明涉及深孔测量技术领域，特别涉及一种基于三角半径测量法的深孔测量系统和方法。

背景技术

对于电力基座塔基、桥梁建设、深度水井等施工常常需要根据工艺要求钻深孔，由于深孔可能在不同的深度阶段会要求有不同的尺寸规格，这类深孔的施工尺寸合格与否常常需要人工进入孔内进行测量。在测量过程中对于人员的安全、测量效率等都来了挑战和限制，因此开发一种具有自主测量能力的新型深孔测量方案具有积极的意义。

名称为《一种对深孔进行测量的系统、装置》，申请号为：202022610331.0的专利申请，提出的测量方法采用一个激光器进行半径测量，旋转过程中通过对中心偏移量与水平倾斜角进行测量并补偿。该方法在实际测量过程中容易出现测量点不在一个截面的问题，并由此引入测量误差。

发明内容

本发明的目的在于使实际测量时测量点能在同一个截面，从而更准确的模拟深孔的内径，提供一种基于三角半径测量法的深孔测量系统和方法。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

作为一种可实施方式，一种基于三角半径测量法的深孔测量系统，包括升降台固定座，包括：

三个半径测量激光测距仪，固定设置于所述升降台固定座上，用于测量发射激光到深孔的距离，且三个所述半径测量激光测距仪所发射的激光在同一截面；

提升装置，与所述升降台固定座连接，用于控制升降台固定座在深孔内的竖直方向上移动；

处理器，用于通过提升装置控制升降台固定座在深孔内的竖直方向上移动，并根据三个所述半径测量激光测距仪测量的距离，实时计算深孔的半径。

更进一步地，还包括电子水平调整仪，用于将三个所述半径测量激光测距仪调整至水平状态，使得三个半径测量激光测距仪所发射的激光不仅在同一截面上，还与水平面平行。

更进一步地，还包括旋转电机，固定设置于所述升降台固定座上，用于带动三个所述半径测量激光测距仪匀速旋转，使得半径测量激光测距仪发射的激光能够扫描深孔的全周内壁。

更进一步地，还包括水平传感器，用于检测三个所述半径测量激光测距仪所发射的激光与水平面的倾斜角，并将检测的倾斜角发送至处理器，使处理器进行测量误差修正。

更进一步地，还包括深度测量激光测距仪，固定设置于所述升降台固定座上，用于测量深孔的深度，且所述深度测量激光测距仪发射的激光与所述半径测量激光测距仪发射的激光相互垂直。

更进一步地，每个半径测量激光测距仪所发射的激光之间的角度均为120°。

一种基于三角半径测量法的深孔测量方法，包括以下步骤：

提升装置控制升降台固定座下降至设定高度，旋转电机控制升降台固定座匀速旋转，使得三个半径测量激光测距仪发射的激光能够扫描深孔的全周内壁；

处理器根据三个半径测量激光测距仪发射的激光扫描深孔内壁后得到的距离，实时计算深孔的半径。

更进一步地，所述处理器根据三个半径测量激光测距仪发射的激光扫描深孔内壁后得到的距离，实时计算深孔的半径的步骤，包括：

三个所述半径测量激光测距仪分别为第一半径测量激光测距仪、第二半径测量激光测距仪、第三半径测量激光测距仪，且每个半径测量激光测距仪所发射的激光之间的角度为120°，三个激光测距仪所发射的激光的反向延长线重合于P点；

第一半径测量激光测距仪发射的激光达到的深孔内壁的点与第二半径测量激光测距仪发射的激光达到深孔内壁的点之间的距离为a：

其中，d

第二半径测量激光测距仪发射的激光达到的深孔内壁的点与第三半径测量激光测距仪发射的激光达到深孔内壁的点之间的距离为b：

其中，d

第三半径测量激光测距仪发射的激光达到的深孔内壁的点与第一半径测量激光测距仪发射的激光达到深孔内壁的点之间的距离为c：

θ

根据距离a、b、c，计算出深孔的半径：

其中，r为深孔的半径。

具体来说，根据第一半径测量激光测距仪发射的激光到达深孔内壁的时间，得到第一半径测量激光测距仪发射的激光到达深孔内壁的距离X1，再加上第一半径测量激光测距仪发射激光的发射点到达P点的距离Y1，得到d

根据第二半径测量激光测距仪发射的激光到达深孔内壁的时间，得到第二半径测量激光测距仪发射的激光到达深孔内壁的距离X2，再加上第二半径激光测距仪发射激光的发射点到达P点的距离Y2，得到d

根据第三半径测量激光测距仪发射的激光到达深孔内壁的时间，得到第三半径测量激光测距仪发射的激光到达深孔内壁的距离X3，再加上第三半径激光测距仪发射激光的发射点到达P点的距离Y3，得到d

在上述方案中，由于三个所述半径测量激光测距仪设置在升降台固定座上时，其发射的三束激光的起点不可能在同一个点，因此此时如果使用三角法进行计算时，除了要获得各激光到达深孔内壁的距离，还要获得激光发射点与三束激光反向延长线的重合点P点之间的距离。

作为一种优选方式，所述第一半径测量激光测距仪发射激光的发射点到P点的距离Y1与所述第二半径测量激光测距仪发射激光的发射点到P点的距离Y2、第三半径测量激光测距仪发射激光的发射点到P点的距离Y3相等。

更进一步地，所述处理器根据三个半径测量激光测距仪发射的激光扫描深孔内壁后得到的距离，实时计算深孔的半径的步骤之前，还包括步骤：

使用电子水平调整仪将三个所述半径测量激光测距仪调整至水平状态，使得三个半径测量激光测距仪所发射的激光不仅在同一截面上，还与水平面平行；

通过电子水平调整仪调整三个所述半径测量激光测距仪至水平状态后，使用水平传感器检测三个所述半径测量激光测距仪所发射的激光与水平面的倾斜角，若依然存在倾斜角，则通过处理器进行测量误差修正。

更进一步地，升降台固定座上固定设置有深度测量激光测距仪，用于测量升降台固定座距离深孔底部的距离，且深度测量激光测距仪发射激光与半径测量激光测距仪发射激光垂直。

更进一步地，还包括步骤：

提升装置控制升降台固定座下降至设定高度，使得深度测量激光测距仪发射的激光能够到达深孔的底部；

根据深度测量激光测距仪发射的激光到达深孔底部的时间，得到升降台固定座在深孔内当前位置的高度。

作为另一种可实施方式，一种基于三角半径测量法的深孔测量系统，包括升降台固定座，包括：

三个以上半径测量激光测距仪，均固定设置于所述升降台固定座上，且三个以上所述半径测量激光测距仪所发射的激光在同一截面，将其中任意三个半径测量激光测距仪作为一组深孔测量系统，用于测量发射激光到深孔的距离；

提升装置，与所述升降台固定座连接，用于控制升降台固定座在深孔内的竖直方向上移动；

处理器，用于通过提升装置控制升降台固定座在深孔内的竖直方向上移动，并根据三个以上所述半径测量激光测距仪测量的距离，实时计算深孔的半径。

在上述方案中，作为优选的方式，可以使用三个以上(不包含三个)的半径测量激光测距仪来测量深孔内径，在测量时，将任意三个半径测量激光测距仪作为一组深孔测量系统，使用前述的深孔测量方法对深孔内径进行测量计算，从而得到多组深孔内径数据，再将多组深孔内径数据求取平均值，作为最终计算得到的深孔内径。通过三角半径测量法多次求取深孔内径，最终以平均值作为结果，能够降低深孔内径测量的误差，提高测量精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本方案通过三个半径测量激光测距仪所发射的激光在同一截面上，使激光扫描深孔内径后能更好的获取深孔内径。

本方案通过在同时获得同一截面发射激光的三个距离值，根据相关公式可以获得测量深孔截面的半径，不存在一个激光测距仪在不同时刻分别测量3个半径值存在的测量平台偏摆造成的三个半径测量时所在截面不一致的问题。

本方案通过设置电子水平调整仪，使三个半径测量激光测距仪所发射的激光不仅在同一截面上，该截面还与水平面(即水平方向)平行，这样能使测量的深孔内径为规则的圆形，使计算深孔半径的方式更简单。

本方案通过设置水平传感器，实时检测三个半径测量激光测距仪所发射的激光截面是否与水平面平行，如果存在倾斜角，则通过电子水平调整仪及时调整三个半径测量激光测距仪能在水平面上；或者根据检测的倾斜角修正模拟的深孔内径误差，使其为规则的圆形。

本方案通过多个(三个以上)半径测量激光测距仪对深孔内径进行测量，测量时将任意三个半径测量激光测距仪作为一组深孔测量系统，使用三角半径测量法从而得到多组深孔内径数据，最终以平均值作为测量的深孔内径，尽可能地降低测量的误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明根据模拟的深孔内径圆形计算深孔半径的示意图；

图2为本发明深孔测量方法的深孔半径计算示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

实施例1：

本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，一种基于三角半径测量法的深孔测量系统，包括升降台固定座、三个半径测量激光测距仪、一个提升装置、一个处理器，其中：

三个所述半径测量激光测距仪均固定设置在所述升降台固定座上，用于实时测量发射激光到深孔的距离，且三个所述半径测量激光测距仪所发射的激光在同一截面上。其中所说的发射激光到深孔的距离是指，半径测量激光测距仪发射激光的起点到达深孔内壁的距离。

在每一次测量过程中，由于测量系统实时测量并计算深孔内径，因此在同一高度的深孔处，会获得若干深孔半径数据，当然在整个测量过程中，也会获得若干深孔半径数据。

比如在深度高度h处，实时获得了N个深孔半径数据，可能相互之间存在微小的差距，故可以将N个深孔半径数据求取平均值，作为该高度处最终测量的深孔半径。

所述提升装置与所述升降台固定座连接，用于控制升降台固定座在深孔内的竖直方向上移动，从而升降台固定座也带动了三个半径测量激光测距仪在深孔内的竖直方向上移动。由于随着深孔深度的变化，深孔的半径可能也会变化，因此使升降台固定座在深孔内竖直方向上移动，同时能使三个半径测量激光测距仪测量不同深度处的深孔半径。

所述处理器用于通过提升装置控制升降台固定座在深孔内的竖直方向上移动，并根据三个所述半径测量激光测距仪测量的距离，实时计算深孔的半径。

作为一种最优的实施方式，每个半径测量激光测距仪所发射的激光之间的角度均为120°，如图1所示，这样可以尽量平均的使每个半径测量激光测距仪发射的激光。假设三个所述半径测量激光测距仪分别为第一半径测量激光测距仪、第二半径测量激光测距仪、第三半径测量激光测距仪，由于三束激光在同一截面上，那么第一半径测量激光测距仪发射的激光与第二半径测量激光测距仪发射的激光之间的角度为120°，第二半径测量激光测距仪发射的激光与第三半径测量激光测距仪发射的激光之间的角度为120°，同理，第三半径测量激光测距仪发射的激光与第一半径测量激光测距仪发生的激光之间的角度也为120°。

由于已知两条直线即可形成一个平面，任意两个半径测量激光测距仪所发射的两束激光形成一个平面后，第三个半径测量激光测距仪所发射的激光也应该在该平面内，故使三个所述半径测量激光测距仪所发射的激光在同一截面上。

本方案使用电子水平调整仪将三个所述半径测量激光测距仪调整至水平状态，使得三个半径测量激光测距仪所发射的激光不仅在同一截面上，还与水平面平行。这样在测量深孔内径时，根据三个半径测量激光测距仪所发射的激光到达深孔内壁的三个点形成三角形，以该三角形确定的唯一外接圆作为深孔的内径截面。有了电子水平调整仪后，该三点所在截面是规则的圆形，而不是椭圆形。

比如图1所示，当三个半径测量激光测距仪发射的激光形成的截面与水平面平行时，三束激光到达深孔内壁的点形成的三角形所在的外接圆与深孔截面的圆重合，此时即使三个半径测量激光测距仪的中心不在外接圆的圆心上，也可以根据三角形外接圆获得所在截面对应的深孔截面圆。若升降台固定座与水平面方面有倾斜角，那么根据三束激光达到深孔内壁的点所在截面对应的是椭圆形，则不便于计算深孔内径。

三个所述半径测量激光测距仪在测量发射激光到达深孔内壁的距离时，通过旋转电机匀速旋转升降台固定座，使得三个半径测量激光测距仪发射的激光能扫描深孔内壁的全周，这样则可以更好的评价深孔的内径。

即使使用电子水平调整仪调整三个半径测量激光测距仪至水平状态后，可能也会因为其他外界因素导致其不完全在水平状态，因此再使用水平传感器检测三个半径测量激光测距仪所发射的激光与水平面的倾斜角，将检测的倾斜角发送至处理器，以使处理器根据水平传感器检测出的倾斜角将椭圆形弥补为圆形，再计算深孔的半径，以修正测量误差。

本方案除了可以检测深孔的半径外，还可以检测深孔的深度，在升降台固定座上同时设置激光测距仪，用于测量深孔的深度，且深度测量激光测距仪发射的激光与所述半径测量激光测距仪发射的激光相互垂直。在最优的方式下，通过水平传感器的检测，使电子水平仪调整升降台固定座与水平面平行，那么深度测量激光测距仪发射的激光就能垂直射入深孔的底部，从而根据激光反射回来的时间获得深孔深度。

这里需要说明，半径测量激光测距仪和深度测量激光测距仪的测距原理都相同，根据激光发射出去到达障碍物后反射回来的时间，从而计算激光路径的距离。

当提升装置将升降台固定座进入深孔中某一高度时，所测量的半径则是升降台固定座所在高度处的深孔内壁半径，同理测量的深孔深度也是升降台固定座所在位置与深孔底部的距离。

关于具体如何根据半径测量激光测距仪发射的激光到达深孔内壁的距离和激光扫描的深孔内壁截面圆来计算深孔半径，请参见实施例2。

实施例2：

在实施例1的基础上，提出一种基于三角半径测量法的深孔测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：提升装置控制升降台固定座下降至设定高度，旋转电机控制升降台固定座匀速旋转，使得三个半径测量激光测距仪发射的激光能够扫描深孔的全周内壁。

步骤S2：处理器根据三个半径测量激光测距仪发射的激光扫描深孔内壁后得到的距离，实时计算深孔的半径。

在计算之前，使用电子水平调整仪将三个所述半径测量激光测距仪调整至水平状态，使得三个半径测量激光测距仪所发射的激光不仅在同一截面上，还与水平面平行。

通过电子水平调整仪调整三个所述半径测量激光测距仪至水平状态后，使用水平传感器检测三个所述半径测量激光测距仪所发射的激光与水平面的倾斜角，若依然存在倾斜角，则通过处理器进行测量误差修正。

三个所述半径测量激光测距仪分别为第一半径测量激光测距仪、第二半径测量激光测距仪、第三半径测量激光测距仪，且每个半径测量激光测距仪所发射的激光之间的角度均为120°，三个激光测距仪所发射的激光的反向延长线重合于P点。

由于三个半径测量激光测距仪设置在升降台固定座上时，如图2所示，其发射的三束激光的起点不会在同一个点上，因此此时如果使用三角法进行计算时，除了要获得各激光到达深孔内壁的距离，还要获得激光发射点与三束激光反向延长线的重合点P点之间的距离。

请参见图2，第一半径测量激光测距仪发射的激光达到的深孔内壁的点与第二半径测量激光测距仪发射的激光达到深孔内壁的点之间的距离为a：

其中，其中，d

第二半径测量激光测距仪发射的激光达到的深孔内壁的点与第三半径测量激光测距仪发射的激光达到深孔内壁的点之间的距离为b：

其中，d

第三半径测量激光测距仪发射的激光达到的深孔内壁的点与第一半径测量激光测距仪发射的激光达到深孔内壁的点之间的距离为c：

θ

根据距离a、b、c，计算出深孔的半径：

其中，r为深孔的半径。

具体来说，根据第一半径测量激光测距仪发射的激光到达深孔内壁的时间，得到第一半径测量激光测距仪发射的激光到达深孔内壁的距离X1，再加上第一半径测量激光测距仪发射激光的发射点到达P点的距离Y1，得到d

根据第二半径测量激光测距仪发射的激光到达深孔内壁的时间，得到第二半径测量激光测距仪发射的激光到达深孔内壁的距离X2，再加上第二半径激光测距仪发射激光的发射点到达P点的距离Y2，得到d

根据第三半径测量激光测距仪发射的激光到达深孔内壁的时间，得到第三半径测量激光测距仪发射的激光到达深孔内壁的距离X3，再加上第三半径激光测距仪发射激光的发射点到达P点的距离Y3，得到d

作为一种优选的方式，所述第一半径测量激光测距仪发射激光的发射点到P点的距离Y1与所述第二半径测量激光测距仪发射激光的发射点到P点的距离Y2、第三半径测量激光测距仪发射激光的发射点到P点的距离Y3相等，这样可以平衡三个半径测量激光测距仪设置在升降台固定座上的重量。

步骤S3：提升装置控制升降台固定座下降至设定高度，使得深度测量激光测距仪发射的激光能够到达深孔的底部；根据深度测量激光测距仪发射的激光到达深孔底部的时间，得到升降台固定座在深孔内当前位置的高度。

实施例3：

基于实施例1、实施例2提出的系统和方法，本实施例再提出一种基于三角半径测量法的深孔测量系统，包括升降台固定座，其特征在于：包括：

三个以上半径测量激光测距仪，均固定设置于所述升降台固定座上，且三个以上所述半径测量激光测距仪所发射的激光在同一截面，将其中任意三个半径测量激光测距仪作为一组深孔测量系统，用于测量发射激光到深孔的距离；

提升装置，与所述升降台固定座连接，用于控制升降台固定座在深孔内的竖直方向上移动；

处理器，用于通过提升装置控制升降台固定座在深孔内的竖直方向上移动，并根据三个以上所述半径测量激光测距仪测量的距离，实时计算深孔的半径。

本实施例使用三个以上(不包含三个)的半径测量激光测距仪来测量深孔内径，在测量时，将任意三个半径测量激光测距仪作为一组深孔测量系统，使用前述的深孔测量方法对深孔内径进行测量计算，从而得到多组深孔内径数据，再将多组深孔内径数据求取平均值，作为最终计算得到的深孔内径。通过三角半径测量法多次求取深孔内径，最终以平均值作为结果，能够降低深孔内径测量的误差，提高测量精度。

但需要说明的是，实施例2中使用三角半径测量法计算深孔内径时，指定三个半径测量激光测距仪所发射的激光之间的角度均为120°，但在本实施方式中，由于有三个以上的半径测量激光测距仪，那么每两个半径测量激光测距仪所发射的激光之间则可能不再是120°，但只要已知激光之间的角度θ，就可以通过三角半径测量法来计算。

因此在每一次测量计算时，任意选择其中三个半径测量激光测距仪作为一组深孔测量系统来计算得到一个深孔内径数据，最终再以求取平均值的方式获得最终测量的深孔内径，更能降低测量误差。

本实施例中其他未提及的内容，请参见实施例1、实施例2。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。