1.本发明属于深直孔倾斜角度和深度测量技术领域，涉及一种深直孔倾斜角度和深度的测量装置及方法。
背景技术：2.深直孔在工程施工、开矿、地质勘探以及岩土介质研究中均具有广泛的应用。尤其深直孔的各项参数(深度、方位等)信息的准确获取对于精准施工和相关工作的进一步开展十分必要且重要。
3.现有深孔测量装置以测量孔深为主，而且深孔以垂孔为主，主要采用重坠垂线测量方法，该方法难以用于斜孔深度的测量，更无法获取到斜孔空间角度信息。而采用现有的光学测量方法进行测量时，光斑很难直接打到深孔底部，测量不直观，且对于孔壁粗糙的深孔漫反射条件比较复杂，导致测量参数不确定度较大。传统的柔性尺测量方法对于斜孔深度测量，很难直达深孔底部，且角度测量基准面很难确定，深孔倾斜角度测量难度大。
技术实现要素：4.本发明的目的是提供一种深直孔倾斜角度和深度的测量装置及方法，解决了对于斜向深直孔的倾斜角度及深度测量不精准的问题。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种深直孔倾斜角度和深度的测量装置，其特殊之处在于：包括滚球、测量绳、水平角度刻度盘、转动角度刻度尺以及固定组件；
7.所述水平角度刻度盘与所述固定组件中部可旋转连接；所述固定组件用于水平设置在待测深直孔的孔口处；
8.所述测量绳一端与滚球连接，另一端与安装在所述水平角度刻度盘正面的水平指针底部连接；所述水平指针可绕水平角度刻度盘中心旋转；
9.所述转动角度刻度尺为圆弧形刻度尺，所述转动角度刻度尺一端通过连接杆与所述水平角度刻度盘背面中心可旋转连接，其旋转轴线位于所述水平角度刻度盘背面所在面上，所述转动角度刻度尺的另一端从所述水平角度刻度盘的背面经所述水平角度刻度盘顶部绕至所述水平角度刻度盘的正面；
10.所述转动角度刻度尺所在面与所述水平角度刻度盘所在面垂直，所述转动角度刻度尺的转动指针固定在所述水平角度刻度盘顶端的中点处。
11.这样，通过水平角度刻度盘和转动角度刻度尺就能够测量出深直孔在两个维度上的倾斜角度，再采用三角函数即可计算出深直孔的倾斜角度。提高了对于斜向深直孔的倾斜角度及深度测量的准确性。
12.进一步地，为了避免测量绳对滚球在任意方向上的滚动有所阻碍，还包括紧箍在所述滚球上的球箍；
13.所述测量绳一端与所述球箍顶端中点连接。
14.进一步地，为了防止转动角度刻度尺绕水平角度刻度盘顶端的弧度转动，增加整个测量装置的稳定性，所述水平角度刻度盘顶端还设有与所述转动指针平行的凸起；
15.所述转动角度刻度尺夹在所述凸起和所述转动指针之间。
16.进一步地，为了提高测量装置使用时固定组件放置在深直孔孔口处的水平度，以提高测量角度α的精度，还包括与所述固定组件中部固定连接的第一水平仪；
17.所述第一水平仪的气泡走向与所述水平角度刻度盘所在面平行，且与所述转动角度刻度尺所在面垂直。
18.进一步地，为了提高测量装置使用时连接杆的垂直度，以提高测量角度β的精度，还包括与所述连接杆固定连接的第二水平仪；
19.所述第二水平仪的气泡走向与所述转动角度刻度尺所在面平行，且与所述转动角度刻度尺的旋转轴线垂直。
20.进一步地，为了更合理有效的设置水平角度刻度盘、转动角度刻度尺、水平指针和第一水平仪相互之间的位置关系，所述固定组件包括矩形筒和两个把手；
21.所述矩形筒由第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁及第四侧壁依次首尾连接组成；
22.所述第一侧壁和第三侧壁外分别设有一个转轴，且两个所述转轴的轴线位于同一条直线上；
23.两个所述把手分别与两个所述转轴可旋转连接；
24.所述水平角度刻度盘设置在所述第二侧壁顶端；
25.所述第二侧壁和所述第四侧壁中部之间设有圆柱销；所述水平指针位于所述第二侧壁和所述第四侧壁之间，并套装在所述圆柱销上；
26.所述第一水平仪设置在所述第四侧壁顶端。
27.进一步地，为了方便且有效的将测量绳与水平指针进行连接或拆卸，还包括平行设置在所述水平指针正面的压板；
28.所述压板与所述水平指针可拆卸连接；
29.所述测量绳另一端夹在所述压板和所述水平指针之间。
30.进一步地，为了适应各种直径测量绳的连接，所述水平指针或所述压板上设有线槽；
31.所述测量绳另一端位于所述线槽内；
32.所述线槽的槽深小于所述测量绳的直径。
33.进一步地，为了减小矩形筒与把手之间的摩擦力，所述把手通过滚动轴承与所述转轴可旋转连接。
34.本发明还提供了一种深直孔倾斜角度和深度的测量方法，采用上述的任一深直孔倾斜角度和深度的测量装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：
35.步骤1、将滚球放入深直孔，待所述滚球滚动至所述深直孔底部，将固定组件设置在所述深直孔的孔口处，将测量绳拉直后与水平指针底部连接，调整固定组件至水平状态，待水平指针稳定后，记录所述水平指针在所述水平角度刻度盘上所指角度α；再调整连接杆至水平状态，待转动指针稳定后，记录所述转动指针在所述转动角度刻度尺上所指角度β；
36.步骤2、计算深直孔倾斜角度θ＝arc sin(cosαsinβ)，并测量伸入所述深直孔中的测量绳的长度l，l即为深孔的深度。
37.本发明的有益效果：
38.1、本发明的深直孔倾斜角度和深度的测量装置采用滚球定位深直孔的倾斜方向，并通过水平角度刻度盘和转动角度刻度尺分别输出深直孔在两个维度上的倾斜角度，通过这两个倾斜角度利用三角函数关系即可计算出深直孔的倾斜角度，还能够通过伸入深直孔中的测量绳长度测量深直孔的深度，这样通过本发明提供的测量装置不但能够同时测量出了深直孔的倾斜角度以及深度，而且还有效提高了深直孔的倾斜角度及深度测量的准确性。
39.2、本发明将滚球紧箍在球箍内，将测量绳与球箍连接，能够实现滚球在任意方向上的自由转动，保证滚球可以直达深直孔，尤其斜向深直孔的底部。
40.3、本发明在水平角度刻度盘顶端设置了与转动指针平行的凸起，将转动角度刻度尺夹在凸起和转动指针之间，能够避免转动角度刻度尺绕水平角度刻度盘顶端的弧度转动，提高整个测量装置的稳定性。
41.4、本发明的测量装置上还设置了第一水平仪和第二水平仪，采用第一水平仪和第二水平仪定位测量装置测量时放置的水平度，能够提高测量结果的准确性。
42.5、本发明的固定组件采用了矩形筒和两个把手相结合的结构，为水平角度刻度盘、转动角度刻度尺、水平指针以及第一水平仪提供了更为合理有效的安装空间。
43.6、本发明采用压板和水平指针夹持测量绳，这样不仅达到了测量绳与水平指针连接的目的，还便于测量绳的拆卸。
44.7、本发明在水平指针或压板上设置了线槽，能够避免压板相对水平指针偏斜，同时还能够适应不同直径的测量绳，提高测量绳连接的可靠性。
45.8、本发明提供的测量装置设计紧凑，结构小巧，便于携带。
附图说明
46.图1是本发明提供的一种深直孔倾斜角度和深度的测量装置和方法的原理图；
47.图2是本发明提供的一种深直孔倾斜角度和深度的测量装置的结构示意图；
48.图3是本发明中滚球与球箍的结构示意图；
49.图4是本发明中水平角度刻度盘、转动角度刻度尺以及固定组件的结构示意图；
50.图5是本发明中水平角度刻度盘、转动角度刻度尺以及固定组件的侧视图。
51.附图标号：
52.1-滚球组件、2-测量绳、3-测量绳夹持机构、4-水平角度测量机构、6-平面倾斜角度测量机构、5-把手、11-滚球、12-球箍、13-第一紧定螺栓、31-压板、32-第二紧定螺栓、41-水平角度刻度盘、42-水平指针、43-圆柱销、44-第一水平仪、51-滚动轴承、61-转动角度刻度尺、62-第二水平仪、63-转轴，64-转动指针，65-凸起。
具体实施方式
53.下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
54.图1是本发明提供的一种深直孔倾斜角度和深度的测量装置和方法的原理图，在坐标系中，空间直线op在xy面和xz面的投影如图1所示，根据三角函数关系可知则且且则sinθ＝cosα
·
sinβ，因此θ＝arcsin(cosα
·
sinβ)，也就是说，只要测得α和β的具体值，便可以求出深直孔的倾斜角度θ。
55.为此，本发明实施例提供了一种深直孔倾斜角度和深度的测量装置，为了更清楚的对本发明提供的一种深直孔倾斜角度和深度的测量装置进行描述，全文中，术语“顶”和“底”均是以该测量装置使用状态为基准，远离待测深直孔孔底的一侧为“顶”，靠近待测深直孔孔底的一侧为“底”。
56.图2是本发明提供的一种深直孔倾斜角度和深度的测量装置的结构示意图；如图2所示，该测量装置包括滚球组件1、测量绳2、测量绳夹持机构3、水平角度测量机构4、平面倾斜角度测量机构6和固定组件。
57.图3是本发明中滚球与球箍的结构示意图；如图3所示，滚球组件1包含滚球11、球箍12和第一紧定螺栓13。滚球11优选不锈钢球。球箍12的半径比滚球11的半径大0.5～1mm，使得滚球11刚好被球箍12卡住不致滚球11脱落，且滚球11可在球箍12内沿各方向自由转动，球箍12中部沿径向方向设置有高强度刚性绳紧定孔，测量绳2一端伸入该紧定孔，通过第一紧定螺栓13紧定，保持测量绳2和滚球11的刚性连接。使得测量绳2连接的滚球11可在向下倾斜深孔中沿各个方向自由滚动，带动测量绳2直达深直孔底部，测量绳2优选高强度刚性绳。
58.图4是本发明中水平角度刻度盘、转动角度刻度尺以及固定组件的结构示意图；图5是本发明中水平角度刻度盘、转动角度刻度尺以及固定组件的侧视图。结合图4和图5所示，测量绳夹持机构3包含压板31和第二紧定螺栓32。水平角度测量机构4包括固定组件、滚动轴承51、水平角度刻度盘41、水平指针42、圆柱销43、第一水平仪44。压板31通过第二紧定螺栓32与水平指针42底部可拆卸连接，压板31或水平指针42上沿测量绳2的方向设有线槽，线槽的槽深小于测量绳2的直径，可以通过第二紧定螺栓32将测量绳2另一端压紧在压板31或水平指针42之间，测量绳2设置在线槽内，可以避免压板31相对水平指针42位移，同时还可以适应不同直径的测量绳2。水平指针42通过圆柱销43与水平角度刻度盘41配合，使得水平指针42可绕圆柱销43在水平角度刻度盘41的刻度板上的自由转动，水平角度刻度盘41通过滚动轴承51连接在固定组件中部，并且可以绕固定组件自由转动，故在固定组件水平固定的情况下，滚球11受重力分量作用可以带动水平指针42在两个维度上自由转动，以指示深直孔的轴线方向，并通过水平指针42在水平角度刻度盘41上指示水平偏转角度α。
59.固定组件包括矩形筒和两个把手5；矩形筒由第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁及第四侧壁依次首尾连接组成；第一侧壁和第三侧壁外分别设有一个转轴，且两个转轴的轴线位于同一条直线上；两个把手5分别通过滚动轴承51与两个转轴可旋转连接；水平角度刻度盘41设置在第二侧壁顶端；圆柱销43设置在第二侧壁和第四侧壁之间；水平指针42位于第二侧壁和第四侧壁之间，并套装在圆柱销43上；第四侧壁顶端还设置了第一水平仪44，第一水平仪44的气泡走向与水平角度刻度盘41所在面平行，且与转动角度刻度尺61所在面垂直。这样，在放置固定组件于深直孔孔口时，能够直观地调整水平角度刻度盘41的水平度，从而提高测量角度α的精准度。
60.调整固定组件的在深直孔孔口处的固定方式一方面可以靠滚球11重力分量，另一方面还可以靠粗糙的把手5与孔壁间的摩擦力，也可以通过其他辅助固定结构，这里对具体固定方式不做限定。
61.平面倾斜角度测量机构6包括转动角度刻度尺61、第二水平仪62和转轴63。转动角度刻度尺61位于所述角度刻度盘41的顶端，且绕水平角度刻度盘41设置；转动角度刻度尺61通过连接杆和转轴63与水平角度刻度盘41背面可旋转连接，其旋转轴线位于水平角度刻度盘41背面所在面上；也就是说转轴63的轴线与水平角度刻度盘41的背面平齐；转动角度刻度尺61的转动指针64设置在水平角度刻度盘41顶端中点处，同时还在水平角度刻度盘41顶端设置了与转动指针64平行的凸起65，将转动角度刻度尺61夹在凸起65和转动指针64之间。避免转动角度刻度尺61绕水平角度刻度盘41顶端的弧度晃动，提高整个结构的稳定性。连接杆上设置有第二水平仪62；第二水平仪62的气泡走向与转动角度刻度尺61所在面平行，且与转动角度刻度尺61的旋转轴线垂直。这样可以通过第二水平仪62直观的调整连接杆的水平度，以提高测量角度β的精准度。滚球11受重力分量作用还可以带动转动指针64自由转动，转动指针64能够在转动角度刻度尺61上指示角度值β。
62.通过水平指针42和转动指针64指示的角度α和β，代入空间角度三角函数关系式θ＝arc sin(cosαsinβ)即可计算得到深直孔的倾斜角度θ，深直孔的深度l可以通过测量绳2的长度得到。这样，不但能够同时测量出了深直孔的倾斜角度以及深度，而且还有效提高了深直孔的倾斜角度及深度测量的准确性。
63.本发明实施例还提供了一种深直孔倾斜角度和深度的测量方法，主要包括以下步骤：
64.步骤1、将滚球11放入深直孔，待滚球11滚动至深直孔底部，将固定组件设置在深直孔的孔口处，将测量绳2拉直后与水平指针42底部连接，调整固定组件至水平状态，待水平指针42稳定后，记录水平指针42在水平角度刻度盘41上所指角度α；再调整连接杆至水平状态，待转动指针64稳定后，记录转动指针64在转动角度刻度尺61上所指角度β；
65.具体的，将滚球11以及球箍12一起放入深直孔中，滚球11在重力的作用下自由滚动直达深直孔底部，这时将测量绳2拉直后通过压板31以及第二紧定螺栓32连接在水平指针的底端，将固定组件放置在孔口处并进行调整，直至第一水平仪44的气泡位于中心点，记录水平指针42在水平角度刻度盘41上所指角度α；继续调整固定组件直至第二水平仪62的气泡位于中心点，记录转动指针64所指角度β。
66.步骤2、计算深直孔倾斜角度θ＝arc sin(cosαsinβ)，并测量伸入深直孔中的测量绳2的长度l，l即为深直孔的深度。
67.该方法简单可靠，且相比现有的测量方法，其测量的精准度更高。
68.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，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。
技术特征：1.一种深直孔倾斜角度和深度的测量装置，其特征在于：包括滚球(11)、测量绳(2)、水平角度刻度盘(41)、转动角度刻度尺(61)以及固定组件；所述水平角度刻度盘(41)与所述固定组件中部可旋转连接；所述固定组件用于水平设置在待测深直孔的孔口处；所述测量绳(2)一端与滚球(11)连接，另一端与安装在所述水平角度刻度盘(41)正面的水平指针(42)底部连接；所述水平指针(42)可绕水平角度刻度盘(41)中心旋转；所述转动角度刻度尺(61)为圆弧形刻度尺，所述转动角度刻度尺(61)一端通过连接杆与所述水平角度刻度盘(41)背面中心可旋转连接，其旋转轴线位于所述水平角度刻度盘(41)背面所在面上，所述转动角度刻度尺(61)的另一端从所述水平角度刻度盘(41)的背面经所述水平角度刻度盘(41)顶部绕至所述水平角度刻度盘(41)的正面；所述转动角度刻度尺(61)所在面与所述水平角度刻度盘(41)所在面垂直，所述转动角度刻度尺(61)的转动指针(64)固定在所述水平角度刻度盘(41)顶端的中点处。2.根据权利要求1所述的深直孔倾斜角度和深度的测量装置，其特征在于：还包括紧箍在所述滚球(11)上的球箍(12)；所述测量绳(2)一端与所述球箍(12)顶端中点连接。3.根据权利要求1或2所述的深直孔倾斜角度和深度的测量装置，其特征在于：所述水平角度刻度盘(41)顶端还设有与所述转动指针(64)平行的凸起(65)；所述转动角度刻度尺(61)夹在所述凸起(65)和所述转动指针(64)之间。4.根据权利要求3所述的深直孔倾斜角度和深度的测量装置，其特征在于：还包括与所述固定组件中部固定连接的第一水平仪(44)；所述第一水平仪(44)的气泡走向与所述水平角度刻度盘(41)所在面平行，且与所述转动角度刻度尺(61)所在面垂直。5.根据权利要求4所述的深直孔倾斜角度和深度的测量装置，其特征在于：还包括与所述连接杆固定连接的第二水平仪(62)；所述第二水平仪(62)的气泡走向与所述转动角度刻度尺(61)所在面平行，且与所述转动角度刻度尺(61)的旋转轴线垂直。6.根据权利要求5所述的深直孔倾斜角度和深度的测量装置，其特征在于：所述固定组件包括矩形筒和两个把手(5)；所述矩形筒由第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁及第四侧壁依次首尾连接组成；所述第一侧壁和第三侧壁外分别设有一个转轴，且两个所述转轴的轴线位于同一条直线上；两个所述把手(5)分别与两个所述转轴可旋转连接；所述水平角度刻度盘(41)设置在所述第二侧壁顶端；所述第二侧壁和所述第四侧壁中部之间设有圆柱销(43)；所述水平指针(42)位于所述第二侧壁和所述第四侧壁之间，并套装在所述圆柱销(43)上；所述第一水平仪(44)设置在所述第四侧壁顶端。7.根据权利要求6所述的深直孔倾斜角度和深度的测量装置，其特征在于：还包括平行设置在所述水平指针(42)正面的压板(31)；所述压板(31)与所述水平指针(42)可拆卸连接；
所述测量绳(2)另一端夹在所述压板(31)和所述水平指针(42)之间。8.根据权利要求7所述的深直孔倾斜角度和深度的测量装置，其特征在于：所述水平指针(42)或所述压板(31)上设有线槽；所述测量绳(2)另一端位于所述线槽内；所述线槽的槽深小于所述测量绳(2)的直径。9.根据权利要求8所述的深直孔倾斜角度和深度的测量装置，其特征在于：所述把手(5)通过滚动轴承(51)与所述转轴可旋转连接。10.一种深直孔倾斜角度和深度的测量方法，采用权利要求1-9任一所述的深直孔倾斜角度和深度的测量装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将滚球(11)放入深直孔，待所述滚球(11)滚动至所述深直孔底部，将固定组件设置在所述深直孔的孔口处，将测量绳(2)拉直后与水平指针(42)底部连接，调整固定组件至水平状态，待水平指针(42)稳定后，记录所述水平指针(42)在所述水平角度刻度盘(41)上所指角度α；再调整连接杆至水平状态，待转动指针(64)稳定后，记录所述转动指针(64)在所述转动角度刻度尺(61)上所指角度β；步骤2、计算深直孔倾斜角度θ＝arc sin(cosαsinβ)，并测量伸入所述深直孔中的测量绳(2)的长度l，l即为深直孔的深度。
技术总结本发明公开了一种深直孔倾斜角度和深度的测量装置及方法，解决了对于斜向深直孔的倾斜角度及深度测量不精准的问题。该测量装置包括滚球、测量绳、水平角度刻度盘、转动角度刻度尺和固定组件；水平角度刻度盘与固定组件中部可旋转连接；测量绳一端与滚球连接，另一端与水平角度刻度盘正面的水平指针连接；转动角度刻度尺绕水平角度刻度盘顶端设置，并通过连接杆与水平角度刻度盘背面可旋转连接，其旋转轴线与水平角度刻度盘背面齐平；转动角度刻度尺所在面与水平角度刻度盘所在面垂直，转动指针设在水平角度刻度盘顶端中点。这样能够提高对于斜向深直孔的倾斜角度及深度测量的准确性。于斜向深直孔的倾斜角度及深度测量的准确性。于斜向深直孔的倾斜角度及深度测量的准确性。
技术研发人员：方厚林 李凯凯 卢强 丁洋 郭权势 李翱 刘赟哲 陶思昊
受保护的技术使用者：西北核技术研究所
技术研发日：2022.08.09
技术公布日：2022/12/2
