本發(fā)明屬于地基沉降變形監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光學(xué)原理的測斜裝置，它用于測量地下空間體的傾斜角度和水平變形。

背景技術(shù)：
在鐵路、水利、市政、土建、礦山等巖體工程領(lǐng)域中，土體邊坡的穩(wěn)定性一直都占有極為重要的地位，如何準(zhǔn)確地分析土體邊坡穩(wěn)定性、預(yù)防滑坡災(zāi)害的形成，提出既經(jīng)濟(jì)又安全的最優(yōu)化方案，是人們長期以來不斷探索的關(guān)鍵技術(shù)問題。變形檢測是研究和防治滑坡災(zāi)害的重要環(huán)節(jié)之一，通過檢測可以掌握邊坡的變形特征和發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，預(yù)測、預(yù)報(bào)滑坡體的邊界條件、空間規(guī)模、發(fā)生時(shí)間及危害性，以便及時(shí)采取相應(yīng)的防治對策，盡可能地避免或減輕滑坡災(zāi)害引起的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測到的邊坡巖土體的變形范圍和發(fā)展趨勢，確定滑動面的位置和形態(tài)，為支護(hù)工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。常用的檢測方法有：測斜儀法、放射性同位素法、應(yīng)變管法等。其中，采用測斜儀法確定深部邊坡滑動面的位置最為經(jīng)濟(jì)有效，該方法可以用來判明位移大小、位移方向和位移方式等。然而，傳統(tǒng)的測斜儀絕大部分還是基于電學(xué)原理來得到和計(jì)算預(yù)埋點(diǎn)的傾斜角度和水平位移，其主要存在如下缺陷：1)精度低，為了消除傳感器的偏值和軸對準(zhǔn)所造成的誤差，必須采用正反測量的手段來提高精度；2)穩(wěn)定性差，由于采用電學(xué)原理來實(shí)現(xiàn)模擬信號的輸出和采集，所用到的分布電容受外界環(huán)境的影響較大，不同的溫度、濕度，甚至傳輸線的擾動都會對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此，研發(fā)基于光學(xué)原理的測斜儀對于提高邊坡穩(wěn)定性分析的精度，促進(jìn)巖土力學(xué)的發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種基于光學(xué)原理的測斜裝置，它基于光學(xué)原理，可靠性高、精度高、受外界干擾性小，可以實(shí)現(xiàn)對深部巖土體內(nèi)部的變形測量，得到預(yù)埋鉆孔的三維變形曲線。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供一種基于光學(xué)原理的測斜裝置，該裝置包括設(shè)置在預(yù)埋鉆孔內(nèi)的測斜導(dǎo)管，所述測斜導(dǎo)管的內(nèi)壁沿軸向均勻開設(shè)有多組導(dǎo)槽，其特征在于，該裝置還包括井下測斜機(jī)構(gòu)和井上測高機(jī)構(gòu)；所述井下測斜機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在所述測斜導(dǎo)管內(nèi)的探頭，所述探頭包括密閉殼體、激光陀螺和CCD圖像傳感器，所述激光陀螺設(shè)置在所述密閉殼體的頂部中央、且向下發(fā)射豎直激光束，所述CCD圖像傳感器設(shè)置在所述密閉殼體的底部，所述密閉殼體的外壁安裝有與所述多組導(dǎo)槽相對應(yīng)的滾輪；所述井上測高機(jī)構(gòu)包括相連接的刻度齒輪和計(jì)算機(jī)，所述刻度齒輪通過絞繩與密閉殼體的頂部連接，所述計(jì)算機(jī)與CCD圖像傳感器連接；測量時(shí)，先將探頭底端與測斜導(dǎo)管的入口處持平，記錄此時(shí)刻度齒輪的讀數(shù)，再將探頭通過滾輪和導(dǎo)槽平穩(wěn)下放一個(gè)高度Δz，探頭下放的高度Δz通過刻度齒輪的讀數(shù)得出，激光陀螺向下發(fā)射的豎直激光束投射到CCD圖像傳感器上，CCD圖像傳感器通過其接收板上的刻度實(shí)時(shí)讀出激光束的水平位置信息Δx和Δy，如此直至將探頭下放到測斜導(dǎo)管的底部，探頭每下放一個(gè)高度Δz，其對應(yīng)的激光束的水平位置信息記為Δx(z)和Δy(z)，由此可得在任一高度z激光的位置偏差x和y，并據(jù)此繪制激光束的水平偏移曲線，其中，其中，傾斜角度θx和θy分別是鉆孔傾斜后與鉛直方向在x-z和y-z平面內(nèi)的夾角，L為探頭的高度。按上述技術(shù)方案，所述探頭的高度為500mm。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：該裝置通過CCD圖像傳感器接受激光陀螺發(fā)射的豎直激光束，并將激光束的水平位置信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送給計(jì)算機(jī)，其受外界因素干擾小，穩(wěn)定性更好，而且CCD圖像傳感器接收激光信號比傳統(tǒng)電測法的精度更高，傳統(tǒng)電測法精度一般在0.1mm/500mm附近，而最常用的CCD圖像傳感器1mm2可以達(dá)到400×400個(gè)像素點(diǎn)，精度較電測法可提高40倍，同時(shí)，該裝置還通過設(shè)置于井上的刻度齒輪實(shí)時(shí)控制、讀取和記錄探頭下放高度，具有較強(qiáng)的連續(xù)性，該裝置對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到位移曲線，這樣可以得到任一下放高度的變形坐標(biāo)，以得到每個(gè)高程由于地層應(yīng)力變化造成的位移偏移值。附圖說明下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例中測斜導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例中探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1-探頭、101-激光陀螺、102-CCD圖像傳感器、103-滾輪、104-密閉殼體、2-測斜導(dǎo)管、201-導(dǎo)槽、3-刻度齒輪、4-計(jì)算機(jī)、5-絞繩。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖1-圖3所示，一種基于光學(xué)原理的測斜裝置，該裝置包括設(shè)置在預(yù)埋鉆孔內(nèi)的測斜導(dǎo)管2，測斜導(dǎo)管2的內(nèi)壁沿軸向均勻開設(shè)有多組導(dǎo)槽201，該裝置還包括井下測斜機(jī)構(gòu)和井上測高機(jī)構(gòu)；井下測斜機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在測斜導(dǎo)管2內(nèi)的探頭1，探頭1包括密閉殼體104、激光陀螺101和CCD圖像傳感器102，激光陀螺101設(shè)置在密閉殼體104的頂部中央、且向下發(fā)射豎直激光束，CCD圖像傳感器102設(shè)置在密閉殼體104的底部，密閉殼體104的外壁安裝有與多組導(dǎo)槽相對應(yīng)的滾輪103；井上測高機(jī)構(gòu)包括相連接的刻度齒輪3和計(jì)算機(jī)4，刻度齒輪3通過絞繩5與密閉殼體104的頂部連接，計(jì)算機(jī)4與CCD圖像傳感器102連接；測量時(shí)，先將探頭1底端與測斜導(dǎo)管2的入口處持平，記錄此時(shí)刻度齒輪3的讀數(shù)，再將探頭1通過滾輪103和導(dǎo)槽201平穩(wěn)下放一個(gè)高度Δz，探頭1下放的高度Δz通過刻度齒輪3的讀數(shù)得出，激光陀螺101向下發(fā)射的豎直激光束投射到CCD圖像傳感器102上，CCD圖像傳感器102通過其接收板上的刻度實(shí)時(shí)讀出激光束的水平位置信息Δx和Δy，并將該位置信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)存儲，如此直至將探頭1下放到測斜導(dǎo)管2的底部，探頭1每下放一個(gè)高度Δz，其對應(yīng)的激光束的水平位置信息記為Δx(z)和Δy(z)，由此可得在任一高度z激光的位置偏差x和y，并據(jù)此繪制激光束的水平偏移曲線，其中，其中，傾斜角度θx和θy分別是鉆孔傾斜后與鉛直方向在x-z和y-z平面內(nèi)的夾角，L為探頭的高度。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，探頭的高度L為500mm。本發(fā)明的工作原理是：1)、將探頭1的滾輪103沿著測斜導(dǎo)管2的導(dǎo)槽201放入，探頭1頂板上有絞繩5與刻度齒輪3相連，探頭1下放的高度可由刻度齒輪3兩次下放的讀數(shù)相減精確讀出，并將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)4；2)、將探頭1的底端放置在測斜導(dǎo)管2的入口處，與入口持平，此時(shí)記錄刻度齒輪3的初始讀數(shù)，沿著測斜導(dǎo)管的導(dǎo)槽201緩慢平穩(wěn)地下放探頭1，位于探頭1頂板中央的激光陀螺101垂直發(fā)射激光束到CCD圖像傳感器102上，CCD圖像傳感器102的接收板上有精準(zhǔn)的刻度可以精準(zhǔn)讀出實(shí)時(shí)傾斜讀數(shù)(Δx,Δy)，CCD傳感器上的每個(gè)像素都可以定位，因此可以對出激光束的位置偏差Δx和Δy及其光強(qiáng)，由位于CCD圖像傳感器102將讀出的數(shù)字信號傳遞給計(jì)算機(jī)4，計(jì)算機(jī)上設(shè)有數(shù)據(jù)采集卡，激光投射在CCD圖像傳感器上的信號通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡上，數(shù)據(jù)采集卡讀取信號，計(jì)算機(jī)4每間隔刻度齒輪3讀出的高度Δz存儲一次(Δx,Δy)，并運(yùn)用公式(1)和(2)計(jì)算此時(shí)的偏斜位移(x,y)，直至下放到導(dǎo)管底部；3)、由計(jì)算機(jī)4將存儲的每個(gè)高度z的偏斜位移(x,y)繪制偏移曲線，此時(shí)即可得到每個(gè)高度的偏斜水平位移和傾斜角度。本發(fā)明中，公式(1)和(2)的分析過程為：在確定好x方向和y方向的方位后，探頭所處的每一個(gè)高度z均可讀出一個(gè)讀數(shù)(Δx,Δy)，那么，Δx和Δy是關(guān)于高度z的函數(shù)，記為：Δx(z)和Δy(z)，在下發(fā)放刻度齒輪的同時(shí)，每隔一定高度Δz讀一次讀數(shù)，那么可得任一高度z在變形后的坐標(biāo)：本發(fā)明不局限于鉛直鉆孔，可以通過調(diào)整激光束的初始方向，得到任意傾斜鉆孔的變形曲線。本發(fā)明可用于觀測土石壩、堤防、土體邊坡、建筑物基坑、地下建筑工程土體內(nèi)部的傾斜角度變化和水平位移變化，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可廣泛應(yīng)于于鐵路、港口、公路、水利、高層建筑等眾多巖土工程領(lǐng)域中。應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。