基于激光水平尺的圆形管道内部纵向坡度测量方法与流程
本发明涉及管道工程测量，特别是涉及一种基于激光水平尺的圆形管道内部纵向坡度测量方法。
背景技术：
1、圆形管道的纵向坡度是排水、给水以及顶管、盾构等管道工程施工与验收的关键控制指标，坡度偏差直接影响管道的过流能力与淤积状况，因此需在施工及竣工验收阶段对管道内部的纵向坡度进行准确测量。
2、中国实用新型专利cn201331338y公开了一种斜坡坡度测量仪，其在直线型主尺上固接四分之一圆环型刻度尺，并经转轴铰接带有水准气泡的直线型水平尺；测量时将主尺底面紧贴被测斜面，缓慢转动水平尺至气泡居中，即可由刻度尺读取坡度角。该测量仪结构简单、便于携行，但其以主尺底面紧贴被测表面并要求表面平整或选取代表性坡面，测量基准依附于被测表面的局部形貌，且属人工贴尺、人工调平与人工读数的接触式测量，仅适用于人员可直接贴靠的敞开斜面。
3、上述测量仪以及现有其他坡度测量方式普遍存在如下不足：难以在人员不可进入的中小口径圆形管道内部稳定建立位于管道纵向对称面内的测量基准；测量基准多依附于管底或被测表面的局部形貌，易受管底淤积、错口与局部变形影响；且缺乏可量化、可复核的居中判据，并多需人员进入或直接贴靠管道，不适用于中小口径管道。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种基于激光水平尺的圆形管道内部纵向坡度测量方法，在人员不进入管道的条件下，实现测量基准在管道纵向对称面内的可量化居中与自适应水平姿态建立，并以非接触方式测得管道的纵向坡度，避免管壁局部缺陷对测量基准的影响。
2、为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
3、一种圆形管道内部纵向坡度的测量方法，采用尺体以及与所述尺体可分离穿设配合的中心调平结构实施；
4、所述尺体内外两端设有支腿组件与激光发射模组，中部沿竖直方向开设有供所述中心调平结构穿过的贯穿通道以及与之平行、轴线与过所述尺体重心的铅垂线相重合的定心通道，所述定心通道内装有具有弹性回缩特性的定心座圈；所述中心调平结构包括间隙穿设于所述贯穿通道内、具有铅垂姿态调节功能的粗定位杆，以及经旋转连接臂套装于所述粗定位杆并与其保持平行、可分离式穿设于所述定心通道内并与所述定心座圈过盈配合的定心杆；
5、所述测量方法包括如下步骤：
6、s1、入管前预装：将所述粗定位杆穿入所述尺体的贯穿通道，并将载有所述定心杆的旋转连接臂旋转至偏置位置，使所述定心杆暂不插入所述定心通道，同时打开两组支腿组件；
7、s2、入管粗定位：经管道入口将预装后的所述尺体与所述中心调平结构送入测量断面，送入过程中使四根等长支腿同步滚动抵接于管壁，实现所述尺体相对管道纵向对称面的粗定位；再将所述粗定位杆调整至铅垂姿态，并使其两端抵紧管壁后锁定；
8、s3、抬升悬垂与居中粗调：转动所述旋转连接臂使所述定心杆由上往下插入所述定心通道并与所述定心座圈过盈配合，再转动所述定心杆带动所述尺体粗调至接近管道纵向对称面；随后上提所述定心杆，经所述定心杆与所述定心座圈的配合，在所述尺体重心的铅垂线上、支承部位高于所述尺体重心地施加向上的支承力，使所述支腿脱离或轻触管壁，所述尺体在低摩擦悬垂状态下依靠重力自动趋于水平姿态；
9、s4、居中精调与纵向坡度解算：使内外两端的激光发射模组各自发射沿所述尺体宽度方向等高共线的两束反向水平激光，测得各端至管道左右两侧内壁的距离；当内端所测左右两侧距离相等、且外端所测左右两侧距离也相等时，判定所述尺体已居中于管道纵向对称面内，否则转动所述定心杆带动所述尺体偏转微调直至满足；再切换光路使两激光发射模组改为向上发射单束铅垂激光，分别测得内端激光发射点至上管壁的铅垂距离h内与外端激光发射点至上管壁的铅垂距离h外，结合两激光发射点沿所述尺体长度方向的轴向间距l，按i=（h外−h内）/l解算所述管道的纵向坡度；
10、s5、落杆坐腿交叉核验：下放所述定心杆，逐步解除其与所述定心座圈的挤压配合，使所述支腿重新落座于管壁并由管壁给定所述尺体的纵倾姿态，以所述尺体自带的倾角检测结果与步骤s4所解算的纵向坡度交叉核验，并同步复核内外两端四线测距数据的一致性。
11、进一步地，所述定心座圈为三球定位结构，其包括呈120°周向等间隔布置的三颗淬硬钢球、承托所述三颗钢球且外表面为球面的浮动环，以及开设于所述定心通道上部并供所述浮动环坐入的球面窝；所述浮动环为带开口的弹性环，其开口使所述三颗钢球能够径向弹性外让并具有回复趋势，且所述定心座圈的弹性回缩力大于所述尺体自重所产生的下滑力；所述步骤s3中，所述定心杆经所述三颗钢球实现径向约束与自动对中，使向上的支承力沿所述尺体的重心支承轴线传递。
12、进一步地，所述定心杆的中段设有上窄下扩的紧固圆台，所述紧固圆台与所述定心座圈可分离式过盈配合，两者的挤压支承部位靠近所述尺体的上端；所述步骤s3中上提所述定心杆时，所述紧固圆台的锥面挤入所述定心座圈，同时产生向上的承托分力与周向弹性夹紧力，带动所述尺体保持水平姿态沿所述粗定位杆竖向移动。
13、进一步地，所述贯穿通道的内径较所述粗定位杆的杆径大40%至60%；所述步骤s3中由所述贯穿通道与所述粗定位杆的间隙配合为所述尺体提供绕竖直方向的偏航约束与倾角粗限位，并保留所述尺体跟随所述定心杆产生径向自适应对中位移的余量。
14、进一步地，所述步骤s2中所述粗定位杆的铅垂姿态由内置于其下方组成杆内的铅垂自定位结构依靠重力完成校正，并由该结构到位时产生触发信号的触发组件以及设于所述粗定位杆外部的声光组件予以确认；所述铅垂自定位结构为阻尼摆锤定位结构或万向滚珠重力定位结构；所述粗定位杆包括轴向伸缩套接的两组成杆，经位于上方的组成杆所设的带阻尼提升旋钮与锁紧螺母完成两端抵壁与锁定。
15、进一步地，所述旋转连接臂与所述粗定位杆穿设配合的通孔内设有摩擦阻尼结构，所述摩擦阻尼结构包括环形阻尼衬套以及设于所述阻尼衬套与所述旋转连接臂之间且相互配合的锥形楔面与预压弹簧，所述锥形楔面将所述尺体的竖向载荷转化为对所述阻尼衬套的径向压紧力；所述旋转连接臂还配设有具有完全松开、半松开与锁死三种状态的抱合式锁紧组件，所述步骤s3的上提与所述步骤s5的下放采用完全松开状态，所述步骤s4的居中精调采用半松开状态，纵向坡度解算时采用锁死状态。
16、进一步地，所述激光发射模组为一体化单光源光路模块，包括激光发生器、分光棱镜以及可移动式光路切换反射镜；所述尺体上对应每一所述激光发射模组分别开设有左水平出光口、右水平出光口与竖向出光口；所述步骤s4中的光路切换经微控制单元与无线通信模块远程执行，以避免扰动处于悬垂状态的所述尺体；采用手动切换时，则在切换完成后重新核验四线测距的等距条件；所述步骤s1中打开两组支腿组件之前，所述支腿处于贴合所述尺体并遮挡所述左水平出光口与右水平出光口的收纳状态。
17、进一步地，所述步骤s4中各测距数值由集成于所述激光发射模组的光电接收单元依托反射激光直接解算，并经与所述光电接收单元连接的微控制单元自动计算所述管道的纵向坡度，再由无线通信模块无线传输至外部终端显示；所述尺体还集成有水平检测水准泡、纵向检测水准泡与倾角传感器，所述步骤s3中所述尺体的水平姿态由所述水平检测水准泡与所述倾角传感器确认，所述步骤s5中的倾角检测结果由所述倾角传感器给出。
18、进一步地，所述步骤s4中i=（h外−h内）/l的成立条件为：所述尺体已处于水平姿态，两激光发射点等高且均位于管道纵向对称面内，两束向上激光沿铅垂方向射出并分别射至管道顶部对应母线；式中i的绝对值为坡度值，其正负号表征所述管道沿内外方向的升降方向。
19、进一步地，所述支腿组件分别设于所述尺体内外两端的下部并支撑于管壁，每端的支腿组件包括铰接于所述尺体左右两侧的支腿；所述步骤s2中的四根支腿等长且相对所述尺体的长度中心面与宽度中心面对称布置，其底部配置有沿管壁滚动的滚珠并配设有限制转动展开角度的角度限位块；所述步骤s5中所述支腿落座后，所述尺体的底面与所述管道的轴线保持平行，其纵倾角即反映所述管道的纵向坡度；所述步骤s1至步骤s5的全过程中，操作人员站立于所述管道的入口处，人体不进入所述管道内。
20、本发明的有益效果为：
21、其一，本方法在测量过程中于靠近尺体上端且过其重心的铅垂线上建立支承，尺体抬离管壁后依靠重力自动趋于水平姿态，测量基准由管道内壁转移至重力方向，不受管底淤积、错口与局部变形的影响；
22、其二，本方法以内外两端各发射左右两束水平激光的四线测距作为居中判据，在滚转已由铅垂的粗定位杆与重心悬垂支承所约束的前提下，可同时消除尺体沿左右方向的横移与偏航，且不约束俯仰自由度，为纵向坡度测量保留了必要自由度，居中状态具有可量化、可复核的判据；
23、其三，本方法以两束铅垂向上激光测得的至上管壁距离之差与两激光发射点轴向间距之比直接解算纵向坡度，测量过程非接触，避免了以管底为基准所引入的误差，且无需作斜距修正；
24、其四，本方法将水平姿态建立与居中调节两个动作解耦：水平姿态由重心悬垂自动实现，居中由定心杆回转配合四线测距完成，两者互不干扰，测量过程可重复；
25、其五，本方法在落杆坐腿后利用尺体自带的倾角检测功能与激光测算结果交叉核验，并同步复核四线测距的一致性，形成两级核验，降低单次测量误差；
26、其六，本方法全过程中操作人员位于管道入口处，人体不进入管道，适用于人员不可进入的中小口径管道。
27、其七，本方法所用支腿在收纳状态下贴合尺体并恰好遮挡水平出光口，兼具出光口的防尘与防磕碰保护作用，装置外形规整、便于携行至测量现场。