专利名称：一种数字地质罗盘仪及地质体产状的测量方法
技术领域：
本发明属于地质罗盘仪技术领域，涉及一种数字地质罗盘仪及地质体产状的测量方法。
背景技术：
目前，地质罗盘仪均是机械式指针设计，常用于测量各种地质构造的方位角(走向、倾向)、倾角。这种罗盘有如下缺点:(I)测量精度误差大:比如在测量方位时需要首先保持相对水平，这就需要观察用于测量水平的水银泡居中平衡状态，由于手持罗盘产生的颤动此时会存在观察误差。在相对水平后读取数据时或读取指针漂移中心值或手动控制指针停止摆动，这时也会产生至少1-3度的误差，与前述误差累积会产生更大的误差。而在机械部件老化及使用环境恶劣时，传统罗盘的误差会更大。测量倾角时需要首先获取水平方向，也同样会产生较大误差；(2)操作效率低:传统罗盘由于在测量时受到前述保持水银泡的平衡、观测指针平衡都比较费时，并且往往需要重复多次才能获取比较准确的数据；测量倾角时也需要重复上述过程，故此需要花费相对较多的时间，这在矿井井下较恶劣甚至不安全的条件下，使用这种罗盘仪就有十分明显的不足。
发明内容
本发明提供一种基于数字地质罗盘仪及地质体产状的测量方法，其测量精度高且操作效率高，还能够进一步具备多种检测或数据采集功能。本发明所采用的技术方案是:—种数字地质罗盘仪，包括壳体，壳体内设置有分别与存储与控制模块相连接的方位角与倾角数据采集模块、激光模块、电源电路和显示模块；所述的方位角与倾角数据采集调理模块包括磁传感器、加速度传感器和A/D转换器，A/D转换器将磁传感器、加速度传感器所采集的原始数据的调理并将其发送给存储与控制电路；存储与控制模块读取方位角与倾角数据采集模块所测量到的方位角与倾角调理数据，经处理获得方位角、仰俯角和侧滚角，并发送至显示模块显示；显示内容主要包括罗盘仪的横滚角、俯仰角、方位角的数值和/或数值的模拟图形；所述的仰俯角是指当前方位角的方向线与水平面的夹角，横滚角是指罗盘平面内垂直于航向方向的直线与水平面的夹角；罗盘仪的壳体设有与横滚角、俯仰角方向平行的直线边框。所述磁传感器为3轴磁传感器，所述加速度传感器为3轴加速度传感器；或者磁传感器、加速度传感器为集成3轴磁传感器与3轴加速度传感器的集成传感器。所述的壳体内还设有与存储与控制模块相连接的激光模块，所述的激光模块包括激光指向模块和/或激光投线模块；磁传感器所代表的地磁方位方向与激光指向模块的激光束的中心线保持一致性；加速度传感器所代表的水平面的X轴或Y轴与激光投线模块所的投射的激光线保持一致或平行。所述存储与控制电路控制激光模块的激光指向，使激光模块发射一束与当前罗盘仪方位角一致的激光束；存储与控制电路控制激光模块的激光投线，使激光模块发射一条与当前罗盘仪测量倾斜角度一致的激光线。当显示在显示模块上数据需要保存时，在存储至存储与控制模块的控制下，该数据被存储至存储与控制模块。所述存储与控制电路包括通过数据总线相连接的控制器和存储器；所述的显示模块包括显示驱动电路和显示屏，显示驱动电路在存储与控制电路的控制下驱动显示屏，将相应的内容显示在显示屏。一种基于数字地质罗盘仪的地质体产状的测量方法，包括以下操作:I)根据待测地质体对象，选择测量地质体对象的特征面；2)将数字地质罗盘仪上与俯仰角方向平行的直线边框贴紧地质体特征面，在保持数字罗盘仪基本水平的状态下，调整数字罗盘仪姿态，查看显示屏上的俯仰角的数值或模拟图形的变化；当俯仰角接近或等于O度时，提示数字罗盘仪达到水平状态，暂停数字罗盘仪的姿态调整，此时数字罗盘仪记录当前的方位角数值，作为地质体特征面的走向值；3)接着在保持罗盘仪俯仰角方向平行的直线边框贴紧地质体特征面的情况下，以该边为轴旋转罗盘仪，使其横滚角方向平行的直线边框贴紧地质体特征面时暂停旋转，存储与控制模块读取方位角与倾角数据采集模块所测量到的数据，进行产状的计算:选择外壳某边框平面作为基准面，根据基准面当前在三维空间的姿态，判断该地质体特征面的倾向方向，将所记录的地质体特征面的走向值加90度或减90度，得到所测量地质体特征面的倾向值；同时，记录该姿态的罗盘仪的横滚角，作为所测量地质体特征面的倾角值；4)存储与控制模块将所得到的走向值、倾向值和倾角值作为产状三要素，在显示屏显示，并需要时保存，完成地质体特征面的产状测量。所述当俯仰角接近或等于O度时，俯仰角数值或模拟图形进行闪烁或变色，提示用户达到水平状态。所述判断该地质体特征面的倾向方向是根据基准面当前在三维笛卡尔坐标系中的哪个象限来进行判断。所述的倾向值的计算为:通过两个变量a、b用于判断当前罗盘仪的姿态:当Ay小于O时，a等于-1，否则等于I ;当Az小于O时，b等于-1，否则等于I ;由走向值推算当前倾向:Obliquity=(Course+aXbX90+360)%360；其中:Ay为加速度g的y轴分量测量值;AZ为加速度g的z轴分量测量值；Course为走向的方位值。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
本发明提供的基于数字地质罗盘仪及地质体产状的测量方法，利用磁传感器电路，具有精度高、操作便利、效率高等优点:该数字罗盘在读取方位角时由于采用三维(轴)技术，有角度补偿功能，可以在不必刻意保持罗盘水平下实时读取，大幅减少操作时间。测量地质体产状一次连续完成，正常测量一般不超过I分钟，且测量数据准确，避免人工计算产状时容易发生错误。三维(轴)电子罗盘在其内部加入了倾角传感器，如果罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿，这样即使罗盘发生倾斜，航向(方位)数据依然准确无误。有时为了克服温度漂移，罗盘也可内置温度补偿装置，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。重力加速度传感器(倾角传感器)，它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率足以能够测量不到0.1°的倾斜角度变化。而且同时读取沿航向(方位角方向)上的仰俯角度和垂直航向的横滚角度，分辨率高，可以满足对各类对象的倾斜角度的测量。上述两种传感器读取的方位角精度一般可以达到3.0°、倾角测量精度一般可以达到0.1°。配合激光指向、激光投线功能，能够使用户更加准确地测量被测对象的特征值(方位角、倾角)。进一步还可以辅助以激光模块的激光指向功能实现对方位角进行采集；磁传感器所代表的地磁方位方向与激光模块的激光指向的激光束的中心线保持一致性，即可保证激光指向方向与地磁方位方向一致；加速度传感器所代表的水平面的X或Y轴与激光模块的激光投线功能所投射的线，尽可能保持一致或平行，即可保证激光投线功能所投出激光线的倾角与罗盘仪测量倾斜角度时所对准的倾斜面的倾角保持一致；这样利用倾角传感器电路，辅助以激光模块的激光投线功能，对倾斜角度进行采集，且操作十分便利，大幅提高测量的精准度，可以在不必刻意保持罗盘水平下实时读取，大幅减少操作时间。本发明由于是基于电子产品设计模式，可以实现罗盘重量仅为传统罗盘的1/2，厚度尺寸达到传统罗盘的1/3左右。
图1是本发明的一种数字地质罗盘仪的系统框图；图2是本发明的地质体产状的测量方法步骤框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步详细的说明，所述是对本发明的解释而不是限定。下面结合附图对本发明矿用数字地质罗盘仪做详细描述:参见图1，具有激光指向的数字地质罗盘仪，其特征在于，壳体内设置有分别与存储与控制模块相连接的方位角与倾角数据采集模块、激光模块、电源电路和显示模块；所述的方位角与倾角数据采集调理模块包括磁传感器、加速度传感器和A/D转换器，A/D转换器将磁传感器、加速度传感器所采集的原始数据的调理并将其发送给存储与控制电路；存储与控制模块读取方位角与倾角数据采集模块所测量到的方位角与倾角数据，获得仰俯角和侧滚角，将方位角、仰俯角和侧滚角数据，并发送至显示模块显示；
显示内容主要包括罗盘仪的横滚角、俯仰角、方位角的数值和/或数值的模拟图形；所述的仰俯角是指当前方位角的方向线与水平面的夹角，横滚角是指罗盘平面内垂直于航向方向的直线与水平面的夹角；罗盘仪的壳体设有与横滚角、俯仰角方向平行的直线边框。进一步，所述的壳体内还设有与存储与控制模块相连接的激光模块，所述的激光模块包括激光指向模块和/或激光投线模块； 磁传感器所代表的地磁方位方向与激光指向模块的激光束的中心线保持一致性；加速度传感器所代表的水平面的X轴或Y轴与激光投线模块所的投射的激光线保持一致或平行。存储与控制电路控制激光模块的激光指向，使激光模块发射一束与当前罗盘仪方位角一致的激光束；存储与控制电路控制激光模块的激光投线，使激光模块发射一条与当前罗盘仪倾斜角度一致的激光线。存储与控制电路控制激光模块的激光指向功能，该功能能够使罗盘仪发射一个与当前罗盘仪方位角一致的激光束，辅助方位角测量时测量方位的确定；存储与控制电路控制激光模块的激光投线功能，该功能能够使罗盘仪发射一条与当前罗盘仪倾斜角度(仰俯角和侧滚角)一致的激光线，辅助倾角测量时测量当前对象倾斜角度的确定。具体的，所述的方位角与倾角数据采集模块包括磁传感器、加速度传感器和A/D转换器，磁传感器采集并给出方位角，重力加速度传感器采集并给出倾斜角度。所述磁传感器为3轴磁传感器，所述重力加速度传感器为3轴加速度传感器。还可以，将3轴磁传感器与3轴重力加速度传感器集成设计，集成为三轴磁力计和三轴加速计的传感器。进一步，所述的壳体内还可以设有与存储与控制模块相连接的气压高程测量模块，存储与控制模块读取气压高程测量模块所测量到的气压、温度数据，经运算获得高程，将气压、温度、高程数据存贮并在显示模块上显示。所述的壳体内还可以设有与存储与控制模块相连接的卫星定位模块，存储与控制模块读取卫星定位模块所测量到的经纬度和高程数据，将经纬度和高程数据存贮并在显示模块上显示。所述的卫星定位模块还可以连接有影像采集与处理模块，存储与控制模块接收影像采集与处理模块所采集的图像数据，并发送至显示模块上显示。下面对各模块进行详细的说明:方位角与倾角数据采集模块:所述的方位角与倾角数据采集调理电路包括磁传感器、加速度传感器和A/D转换器，A/D转换器将磁传感器、加速度传感器所采集的原始数据的调理并将其发送给存储与控制电路。具体的所述磁传感器为3轴磁传感器，所述重力加速度传感器为3轴加速度传感器。还可将3轴磁传感器与3轴重力加速度传感器集成设计，集成为三轴磁力计和三轴加速计的传感器。激光模块:所述激光模块包括激光指向模块和/或激光投线模块；采用微型的以激光二极管为核心的模组设计，可以直接采用目前常见的微型激光束模组、“一字”激光模组，具备投射点状激光、“一字”线激光功能。激光指向功能能够使罗盘仪发射一个与当前罗盘仪方位角一致的激光束，辅助方位角测量时测量方位的确定；激光投线功能能够使罗盘仪发射一条与当前罗盘仪倾斜角度(仰俯角和侧滚角)一致的连续激光线，辅助倾角测量时测量当前对象倾斜角度的确定。存储与控制模块:包括通过数据总线相连接的控制器和存储器，对整个罗盘操作的电路控制、数据处理，如总电源开关、显示控制、上述传感器采集数据的加工处理、方位角、倾角、显示内容控制，以及气温、气压、高程等数据的存储等。显示模块:采用液晶屏显示模组，用于显示结果数据如方位角、横滚角、仰俯角度、气温、气压高程数据及方位变化模拟图形、仰俯与横滚模拟图形等(仰俯角指当前航向即方位角方向线相对水平面的夹角；横滚角指罗盘平面垂直于航向方向与水平面的夹角)。当需要调用影像时，调用影像并在液晶屏上进行显示。电源模块:负责系统各电路供电。气压高程测量模块，采用大气压力传感器，与存储与控制模块配合，完成大气压力、温度采集，并换算成高程数据的功能。具体的所述的气压高程测量模块包括大气压力传感器和处理芯片，大气压力传感器将所检测的信号发送给处理芯片。卫星定位模块:采用卫星定位芯片，与存储与控制模块配合，完成观测点经纬度及高程坐标数据的获取功能。可采用GPS定位模块、北斗系统定位模块、格洛纳斯定位模块、伽利略系统定位模块中的一种或几种组合。影像采集处理模块:包括摄像头和影像处理电路，摄像头设置在壳体上，影像处理电路对采集的影响处理并发送给存储与控制模块，完成图片或影像数据的采集与存储。参见图2，本发明的数字地质罗盘仪，其操作过程包括如下步骤:
1.选择地质体特征面:选择测量地质体对象的特征面，如岩层层面、断层面等所需要测量的对象；2.将罗盘仪俯仰角(或横滚角)方向平行的直线边框贴紧地质体特征面，在保持罗盘仪基本水平的状态下，调整罗盘仪姿态，查看显示屏上的俯仰角(或横滚角)的数值或模拟图形的变化，当俯仰角(或横滚角)接近或等于O度时，俯仰角数值或模拟图形进行闪烁、变色等方式提示用户达到水平状态，暂停罗盘仪的姿态调整，此时罗盘仪自动记录当前的方位角数值，作为地质体特征面的走向；3.紧接上一步，在保持罗盘仪俯仰角(或横滚角)方向平行的直线边框贴紧地质体特征面的情况下，旋转罗盘仪使其横滚角(或俯仰角)方向平行的直线边框贴紧地质体特征面，暂停旋转，操作存储与控制的功能按键进行产状的计算，产状算法原理为:罗盘仪首先选择外壳某边框平面作为基准面，根据基准面当前在三维空间的姿态，即该面在三维笛卡尔坐标系中的哪个象限，判断该地质体特征面的倾向方向，将前述记录的地质体特征面的走向加90度或减90度，即为所测量地质体特征面的倾向值。同时，记录该姿态的罗盘仪的横滚角(或俯仰角)，作为所测量地质体特征面的倾角值；倾向计算的参考程序算法如下:定义两个变量a、b用于判断当前罗盘仪的姿态a=(Ay〈0) _1:1 ;(当 Ay 小于 O 时，a 等于-1,否则等于 I)b=(Az〈0) -l:l ;(当 Az 小于 O 时，b 等于-1，否则等于 I)
由走向值推算当前倾向:0bliquity=(Course+a*b*90+360)%360其中:Ay为加速度g的y轴分量测量值;Az为加速度g的z轴分量测量值；CourSe为走向的方位值；4.显示屏显示或保存前述的走向值、倾向值和倾角值，完成地质体特征面的产状测量。以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种数字地质罗盘仪，其特征在于，包括壳体，壳体内设置有分别与存储与控制模块相连接的方位角与倾角数据采集模块、激光模块、电源电路和显示模块； 所述的方位角与倾角数据采集调理模块包括磁传感器、加速度传感器和A/D转换器，A/D转换器将磁传感器、加速度传感器所采集的原始数据的调理并将其发送给存储与控制电路； 存储与控制模块读取方位角与倾角数据采集模块所测量到的方位角与倾角调理数据，经处理获得方位角、仰俯角和侧滚角，并发送至显示模块显示； 显示内容主要包括罗盘仪的横滚角、俯仰角、方位角的数值和/或数值的模拟图形；所述的仰俯角是指当前方位角的方向线与水平面的夹角，横滚角是指罗盘平面内垂直于航向方向的直线与水平面的夹角； 罗盘仪的壳体设有与横滚角、俯仰角方向平行的直线边框。
2.如权利要求1所述的数字地质罗盘仪，其特征在于，所述磁传感器为3轴磁传感器，所述加速度传感器为3轴加速度传感器； 或者磁传感器、加速度传感器为集成3轴磁传感器与3轴加速度传感器的集成传感器。
3.如权利要求1所述的数字地质罗盘仪，其特征在于，所述的壳体内还设有与存储与控制模块相连接的激光模块，所述的激光模块包括激光指向模块和/或激光投线模块； 磁传感器所代表的地磁方位方 向与激光指向模块的激光束的中心线保持一致性；加速度传感器所代表的水平面的X轴或Y轴与激光投线模块所的投射的激光线保持一致或平行。
4.如权利要求3所述的数字地质罗盘仪，其特征在于，存储与控制电路控制激光模块的激光指向，使激光模块发射一束与当前罗盘仪方位角一致的激光束； 存储与控制电路控制激光模块的激光投线，使激光模块发射一条与当前罗盘仪测量倾斜角度一致的激光线。
5.如权利要求1所述的数字地质罗盘仪，其特征在于，当显示在显示模块上数据需要保存时，在存储至存储与控制模块的控制下，该数据被存储至存储与控制模块。
6.如权利要求1所述的数字地质罗盘仪，其特征在于，存储与控制电路包括通过数据总线相连接的控制器和存储器； 所述的显示模块包括显示驱动电路和显示屏，显示驱动电路在存储与控制电路的控制下驱动显示屏，将相应的内容显示在显示屏。
7.一种基于权利要求1所述的数字地质罗盘仪的地质体产状的测量方法，其特征在于，包括以下操作: 1)根据待测地质体对象，选择测量地质体对象的特征面； 2)将数字地质罗盘仪上与俯仰角方向平行的直线边框贴紧地质体特征面，在保持数字罗盘仪基本水平的状态下，调整数字罗盘仪姿态，查看显示屏上的俯仰角的数值或模拟图形的变化；当俯仰角接近或等于O度时，提示数字罗盘仪达到水平状态，暂停数字罗盘仪的姿态调整，此时数字罗盘仪记录当前的方位角数值，作为地质体特征面的走向值； 3)接着在保持罗盘仪俯仰角方向平行的直线边框贴紧地质体特征面的情况下，以该边为轴旋转罗盘仪，使其横滚角方向平行的直线边框贴紧地质体特征面时暂停旋转，存储与控制模块读取方位角与倾角数据采集模块所测量到的数据，进行产状的计算:选择外壳某边框平面作为基准面，根据基准面当前在三维空间的姿态，判断该地质体特征面的倾向方向，将所记录的地质体特征面的走向值加90度或减90度，得到所测量地质体特征面的倾向值；同时，记录该姿态的罗盘仪的横滚角，作为所测量地质体特征面的倾角值； 4)存储与控制模块将所得到的走向值、倾向值和倾角值作为产状三要素，在显示屏显示，并需要时保存，完成地质体特征面的产状测量。
8.如权利要求7所述的地质体产状的测量方法，其特征在于，当俯仰角接近或等于O度时，俯仰角数值或模拟图形进行闪烁或变色，提示用户达到水平状态。
9.如权利要求7所述的地质体产状的测量方法，其特征在于，判断该地质体特征面的倾向方向是根据基准面当前在三维笛卡尔坐标系中的哪个象限来进行判断。
10.如权利要求7所述的地质体产状的测量方法，其特征在于，所述的倾向值的计算为: 通过两个变量a、b用于判断当前罗盘仪的姿态: 当Ay小于O时，a等于-1，否则等于I ; 当Az小于O时，b等于-1，否则等于I ; 由走向值推算当前倾向:Obliquity=(Course+aXbX90+360)%360 ； 其中=Ay为加速度g的y轴 分量测量值-A为加速度g的z轴分量测量值；Course为走向的方位值。
全文摘要
本发明提供了一种数字地质罗盘仪及地质体产状的测量方法，壳体内设置有分别与存储与控制模块相连接的方位角与倾角数据采集模块、激光模块、电源电路和显示模块；所述的方位角与倾角数据采集调理模块包括磁传感器、加速度传感器和A/D转换器；存储与控制模块读取方位角与倾角数据采集模块所测量到的方位角与倾角数据，获得仰俯角和侧滚角，将方位角、仰俯角和侧滚角数据发送至显示模块显示，必要时予以存储。本发明的数字地质罗盘仪及地质体产状的测量方法，具有精度高、操作便利、效率高等优点，在读取方位角时由于采用三维(轴)技术，有角度补偿功能，可以在不必刻意保持罗盘水平下实时读取，大幅减少操作时间。
文档编号G01C17/02GK103162677SQ20131007456
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月8日 优先权日2013年3月8日
发明者马庆勋, 肖永强, 马培铨, 马培洲 申请人:马庆勋