一种基于磁场原理的隧洞定位仪及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种基于磁场原理的隧洞定位仪及其使用方法。具体而言，本发明专利技术的隧洞定位仪包括坐标与磁场强度测量设备、磁性传感器，其中：在所述坐标与磁场强度测量设备的测量范围内设置有若干个测点，并且所述坐标与磁场强度测量设备用于测量所述测点的三维坐标和磁场强度。本发明专利技术开创性地利用测量磁场的方法来准确测量两个隧洞之间的错位程度，由于磁场不受岩石以及水等介质的影响，因此能够保证隧洞定位结果的准确性。本发明专利技术的隧洞定位方法几乎不受温度影响，可以在温差大、条件恶劣的地方长期监测，具有很强的实用性，操作方便、精度高、效率高，可以准确判断钻孔错位的程度，及时通过施工进行补救。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁场原理的隧洞定位仪及其使用方法
本专利技术属于土木工程设备领域，涉及一种基于磁场原理的隧洞定位仪及其使用方法。
技术介绍
在一些水利工程或隧洞工程中，经常需要开挖并连通多个隧洞。例如，在建造抽水蓄能电站时，水平隧洞挖好以后，通常直径会大于5米，经常需要从顶部向下打竖孔、斜孔(比如需要通压力钢管、通气孔等设施)。一般情况下，这些竖孔、斜孔会很长，通常会达到二三百米及以上，因此在实际钻孔过程中，会存在种种原因(例如：岩石介质不均匀性、施工误差等因素)导致竖孔、斜孔与底部的水平隧洞不相交，产生一定的偏离量。由于岩石等介质可能有很大含水量，各种电信号都无法传递，所以基于电信号的传感器几乎无法找到竖孔、斜孔的偏离量和具体位置。对于基于弹性波等原理的方法，由于岩石存在节理、裂隙或饱水等问题，也会导致测量不准确。此外，由于全站仪不能做到既能看到竖孔、斜孔，也能看到水平隧洞的中间点，因此也无法确知隧洞的偏离量。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术利用磁体产生的磁场几乎不受岩石和水影响的特点，通过将磁体置于第二隧洞内来观察第一隧洞中各个点的磁场强度变化。当在第二隧洞中放置磁体之前，第一隧洞中各个点的磁场强度仅仅受到地磁场的影响；而当在第二隧洞中放置磁体之后，第一隧洞中各个点的磁场强度为磁体产生的磁场和地磁场叠加后的复合矢量场。另外，还可以在第一隧洞中设置若干个测点，在第二隧洞不放置磁体时，测量出第一隧洞中各个测点的地磁场强度，然后在第二隧洞中放置磁体，测量出第一隧洞中各个测点的复合磁场强度，再利用各个测点的三维坐标信息来准确计算磁体所在的位置，从而判断出第二隧洞的位置和相对第一隧洞的偏离量。具体而言，本专利技术采用如下技术方案：一种基于磁场原理的隧洞定位仪，包括坐标与磁场强度测量设备、磁性传感器，其中：在所述坐标与磁场强度测量设备的测量范围内设置有若干个测点，并且所述坐标与磁场强度测量设备用于测量所述测点的三维坐标和磁场强度；所述磁场强度为矢量或标量，所述矢量为所述磁场强度在三维坐标系下的分量，所述标量为所述磁场强度的模值。作为优选，所述坐标与磁场强度测量设备包括坐标测量设备和磁场强度测量仪；所述坐标测量设备用于测量所述磁场强度测量仪所处的三维坐标，优选全站仪；所述磁场强度测量仪用于测量其所处三维坐标的磁场强度。作为优选，所述坐标与磁场强度测量设备还包括单棱镜，所述单棱镜用于配合所述磁场强度测量仪来测量其所处的三维坐标。作为优选，所述磁性传感器包括球壳，所述球壳的内部填充有非磁性固体填充物，所述非磁性固体填充物的内部固定有磁体。作为优选，所述磁性传感器包括外球壳和位于所述外球壳内部的内球壳，所述外球壳和所述内球壳之间填充有液体，所述液体用于使所述内球壳漂浮，所述内球壳的内部设置有固定在所述内球壳上的磁体，所述内球壳的内部还设置有调平配重，在所述磁体平行或垂直于其轴线的表面上固定连接有水准泡；当在所述磁体平行于其轴线的表面上固定连接有所述水准泡时，通过移动所述调平配重使所述磁体的轴线在所述内球壳静止时指向地磁场的南北方向；当在所述磁体垂直于其轴线的表面上固定连接有所述水准泡时，通过移动所述调平配重使所述磁体的轴线在所述内球壳静止时平行于重力方向。一种利用上述基于磁场原理的隧洞定位仪的隧洞定位方法，其实质是利用放置于第一隧洞中的坐标与磁场强度测量设备对放置于第二隧洞中的磁性传感器进行定位，通过磁性传感器的坐标来表示第二隧洞的坐标，进而得出两条隧洞之间的相对位置关系。上述隧洞定位方法主要包括下列步骤：(1)将所述基于磁场原理的隧洞定位仪中的坐标与磁场强度测量设备放置于第一隧洞中，利用所述坐标与磁场强度测量设备测量出第一测点集内的所有测点的第一三维坐标和地磁场强度，具体测量方法如下：将所述坐标与磁场强度测量设备中的磁场强度测量仪移动到所述第一测点集内的各个测点处来测量各个测点的磁场强度，记作地磁场强度，同时利用所述坐标与磁场强度测量设备中的坐标测量设备来测量各个测点的三维坐标，记作第一三维坐标；其中：所述第一测点集指的是在向第二隧洞中放置磁性传感器之前为了测量三维坐标和磁场强度而选择的测点的集合；(2)将所述基于磁场原理的隧洞定位仪中的所述磁性传感器放置于第二隧洞中，利用所述坐标与磁场强度测量设备测量出第二测点集内的所有测点的第二三维坐标和复合磁场强度，具体测量方法如下：将所述坐标与磁场强度测量设备中的磁场强度测量仪移动到所述第二测点集内的各个测点处来测量各个测点的磁场强度，记作复合磁场强度，同时利用所述坐标与磁场强度测量设备中的坐标测量设备来测量各个测点的三维坐标，记作第二三维坐标；其中：所述第二测点集指的是在放置磁性传感器之后为了测量三维坐标和磁场强度而选择的测点的集合，并且所述第二测点集内的所有测点的坐标都位于所述第一测点集内的所有测点的坐标的包络范围之内；(3)利用所述第一测点集内的所有测点的第一三维坐标和地磁场强度计算出在放置磁性传感器之前所述第二测点集内的所有测点的地磁场强度；(4)利用所述第二测点集内的所有测点的第二三维坐标、地磁场强度和复合磁场强度计算出所述磁性传感器的三维坐标，即可完成所述第一隧洞和所述第二隧洞之间的隧洞定位。作为优选，当所述基于磁场原理的隧洞定位仪所处环境的地磁场为均匀磁场时，将步骤(3)中所述第二测点集内的所有测点的地磁场强度设定为所述第一测点集内的任一测点的地磁场强度。上述设定的原因在于隧洞定位仪所处环境的地磁场为均匀磁场，每一个测点的地磁场强度都是相同的，因此第二测点集内的所有测点的地磁场强度也相等，即等于第一测点集内的任一测点的地磁场强度。作为优选，当所述第一测点集等于所述第二测点集(第一测点集中的每一个测点都能在第二测点集中找到坐标相同的对应测点)时，将步骤(3)中所述第二测点集内的所有测点的地磁场强度设定为各自在所述第一测点集内所对应的测点的地磁场强度。作为优选，当所述基于磁场原理的隧洞定位仪所处环境的地磁场为非均匀磁场且所述第一测点集不等于所述第二测点集时，利用插值计算出所述第二测点集内的所有测点的地磁场强度。与现有技术相比，采用上述技术方案的本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术开创性地利用测量磁场的方法来准确测量两个隧洞之间的错位程度，由于磁场不受岩石以及水等介质的影响，不会由此而削弱磁场强度，因此能够保证隧洞定位结果的准确性；(2)本专利技术的隧洞定位方法几乎不受温度影响，可以在温差大、条件恶劣的地方长期监测，具有很强的实用性；(3)本专利技术的隧洞定位方法操作方便、精度高、效率高，可以准确判断钻孔错位的程度，及时通过施工进行补救。附图说明图1为本专利技术的基于磁场原理的隧洞定位仪的结构示意图；图2为本专利技术的基于磁场原理的隧洞定位仪的结构示意图；图3为本专利技术的基于磁场原理的隧洞定位仪中磁性传感器的结构示意图；图4为本专利技术的基于磁场原理的隧洞定位仪中磁性传感器的结构示意图；图5为本专利技术的基于磁场原理的隧洞定位仪中磁性传感器的结构示意图；图6为本专利技术的基于磁场原理的隧洞定位仪的结构示意图；其中：1为第一隧洞，11为坐标与磁场强度测量设备，111为磁场强度测量仪，112为单棱镜，113为测点，12为坐标测量设备(全站仪)，2为第二隧洞，21为磁性传感器，211为球壳，21本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁场原理的隧洞定位仪，包括坐标与磁场强度测量设备(11)、磁性传感器(21)，其特征在于：在所述坐标与磁场强度测量设备(11)的测量范围内设置有若干个测点(113)，并且所述坐标与磁场强度测量设备(11)用于测量所述测点(113)的三维坐标和磁场强度；所述磁场强度为矢量或标量，所述矢量为所述磁场强度在三维坐标系下的分量，所述标量为所述磁场强度的模值。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁场原理的隧洞定位仪，包括坐标与磁场强度测量设备(11)、磁性传感器(21)，其特征在于：在所述坐标与磁场强度测量设备(11)的测量范围内设置有若干个测点(113)，并且所述坐标与磁场强度测量设备(11)用于测量所述测点(113)的三维坐标和磁场强度；所述磁场强度为矢量或标量，所述矢量为所述磁场强度在三维坐标系下的分量，所述标量为所述磁场强度的模值。2.根据权利要求1所述的基于磁场原理的隧洞定位仪，其特征在于：所述坐标与磁场强度测量设备(11)包括坐标测量设备(12)和磁场强度测量仪(111)；所述坐标测量设备(12)用于测量所述磁场强度测量仪(111)所处的三维坐标，所述磁场强度测量仪(111)用于测量其所处三维坐标的磁场强度。3.根据权利要求2所述的基于磁场原理的隧洞定位仪，其特征在于：所述坐标测量设备(12)为全站仪。4.根据权利要求2所述的基于磁场原理的隧洞定位仪，其特征在于：所述坐标与磁场强度测量设备(11)还包括单棱镜(112)，所述三棱镜(112)用于配合所述磁场强度测量仪(111)来测量其所处的三维坐标。5.根据权利要求1所述的基于磁场原理的隧洞定位仪，其特征在于：所述磁性传感器(21)包括球壳(211)，所述球壳(211)的内部填充有非磁性固体填充物(212A)，所述非磁性固体填充物(212A)的内部固定有磁体(213)。6.根据权利要求1所述的基于磁场原理的隧洞定位仪，其特征在于：所述磁性传感器(21)包括外球壳(211A)和位于所述外球壳(211A)内部的内球壳(211B)，所述外球壳(211A)和所述内球壳(211B)之间填充有液体(212B)，所述液体(212B)用于使所述内球壳(211B)漂浮，所述内球壳(211B)的内部设置有固定在所述内球壳(211B)上的磁体(213)，所述内球壳(211B)的内部还设置有调平配重(214)，在所述磁体(213)平行或垂直于其轴线的表面上固定连接有水准泡(215)；当在所述磁体(213)平行于其轴线的表面上固定连接有所述水准泡(215)时，通过移动所述调平配重(214)使所述磁体(213)的轴线在所述内球壳(211B)静止时指向地磁场的南北方向；当在所述磁体(213)垂直于其轴线的表面上固定连接有所述水准泡(215)时，通过移动所述调平配重(214)使所述磁体(213)的轴线在所述内球壳(211B)静止时平行于重力方向。7.一种利用根据权利要求1至6中任一项所述的基于磁场原理的隧洞定位仪的隧...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈艺征，唐艳，唐福建，刘凤学，杨建州，房国忠，刘富强，王宁波，李佳明，李佳霖，寇桐华，
申请(专利权)人：苏州弘开传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32