用于大型結構物本體垂直位移和地表沉降的測量裝置的制作方法

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本實用新型屬于力學測量技術領域，涉及一種用于大型結構物位移和形變測量裝置，特別是一種自校準的遠程位移或形變測量的裝置及方法。

背景技術：

大型結構物包括橋梁、大壩、隧道、斜坡和房屋建筑等，其變形主要包括靜態(tài)變形和動態(tài)變形，靜態(tài)變形是指地基下陷、傾斜和應力松弛等變化很慢的變形，動態(tài)變形是指由于風、溫度、地震、交通負載或現(xiàn)場施工等引起的短期變形，其參數(shù)測量對于目標的安全評估分析具有重要的作用。

傳統(tǒng)的大型結構物如橋梁，其變形檢測的儀器有百分表、千分表、加速計、水準儀、經(jīng)緯儀等。目前，這些儀器在橋梁驗收、定期檢測中仍然廣泛使用，但是需要專業(yè)技術人員，費時、費力，人為誤差大，遠遠不能實現(xiàn)在線、實時、自動、智能測量。近年來，信息技術的蓬勃發(fā)展大大帶動了橋梁變形測量技術的發(fā)展，涌現(xiàn)了許多新技術和新方法，比如激光撓度法和GPS(Global Position System)定位測量法。激光撓度儀能實現(xiàn)亞毫米的位移測量，但是量程僅能達到數(shù)十厘米，不能滿足跨距較大的用于橋梁大變形的測量，其垂直位移可達米級；GPS定位測量法可實現(xiàn)實時在線測量橋梁的大變形，但是其精度智能達到厘米級，且費用高昂，限制了其推廣應用。

自從70年代末期固體圖像傳感器出現(xiàn)以來，國內外有不少學者以CCD等圖像傳感器為媒介，將圖像處理技術用于橋梁、混凝土梁變形測量的研究。申請?zhí)枮?00820241096.0的中國專利“一種基于機器視覺的橋梁動位移測量裝置”公開了一種通過激光源和CCD結合測量大橋動態(tài)變形的測量裝置，通過在橋梁遠端用CCD記錄大橋變形過程中激光光束的位置變化，計算得到大橋的變形參數(shù)。目前這類位移傳感器存在的主要問題是：CCD圖像傳感器需要與準直激光器聯(lián)合使用，增加了系統(tǒng)的復雜性。

申請?zhí)枮?01410145554.0的中國專利“一種橋梁實時測量系統(tǒng)”公開了一種橋梁動態(tài)位移的遠程測量裝置，使用中將加電靶標固定在遠離橋梁的固定目標上，而在橋梁需要測量位移的地方安裝有CCD像機，使得靶標成像在CCD光敏元上，通過實時獲得的靶標圖像在CCD上的位置，計算得到橋梁待測點上的動態(tài)位移。這種方案存在的問題是：當測量系統(tǒng)用在隧道、巖洞內等場合時，由于CCD像機和測量靶標均會隨著外界荷載的影響而產(chǎn)生位移和形變，而且由于二者安裝的位置不同，外界荷載引起的測量靶標和CCD像機的位移不同，導致測量結果出現(xiàn)了較大的誤差，影響了測量精度。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型提出了一種用于大型結構物垂直位移或變形的自校準式測量裝置及方法，用于大型結構物變形或位移參數(shù)的自校準式測量裝置及方法，在傳統(tǒng)測量靶標的基礎上增加了一只基準靶標和一只靜力水準儀，且該基準靶標固定靜力水準儀的沉降探頭上，由靜力水準儀獲得準確的基準靶標的位移絕對值，從而對測量靶標的位置值進行修正校準，最后獲得測量點的精確位移值。

本實用新型的技術內容如下：

用于大型結構物本體垂直位移和地表沉降的測量裝置，包括若干個測量單元和數(shù)據(jù)處理中心，每個測量單元包括成像系統(tǒng)、靜力水準儀、基準靶標、不少于一只的測量靶標和不少于一只的激光測距儀，所述的靜力水準儀包括通液管相聯(lián)通的基準沉降探頭和若干只測量沉降探頭，所述的測量沉降探頭和測量靶標固定在大型結構物的側壁或頂部，所述的基準靶標(14)設置在其中某只測量沉降探頭上，且基準靶標和測量靶標在成像系統(tǒng)的敏感元的不同位置上成像，所述的激光測距儀設置在測量靶標所在的大型結構物的對應位置處，并垂直指向待測的地面目標處；數(shù)據(jù)處理中心獲取靜力水準儀、激光測距儀和成像系統(tǒng)的測量結果后，并對測量靶標的結果進行校準修正后，計算得到大型結構物側壁、頂部的位移以及地表沉降參數(shù)。

上述用于大型結構物本體垂直位移和地表沉降的測量裝置中，大型結構物為隧道、巖洞、房屋、地下室或橋梁。

上述用于大型結構物本體垂直位移和地表沉降的測量裝置中，靜力水準儀的基準沉降探頭設置在大型結構物外部或內部位移或變形可忽略的穩(wěn)定區(qū)域。

上述用于大型結構物本體垂直位移和地表沉降的測量裝置中，基準靶標和測量靶標為特定圖案或連續(xù)工作的加電靶標。

上述用于大型結構物本體垂直位移和地表沉降的測量裝置中，加電靶標為排成一定形狀的LED或LD燈帶。

上述用于大型結構物本體垂直位移和地表沉降的測量裝置中，激光測距儀所對應的測量靶標固定在激光測距儀的機殼上。

靜力水準儀和成像系統(tǒng)通過無線GPRS系統(tǒng)、無線移動網(wǎng)絡傳輸模塊或光纜傳輸系統(tǒng)將測量結果傳輸至上述用于大型結構物本體垂直位移和地表沉降的測量裝置中，遠端的數(shù)據(jù)處理中心。

上述用于大型結構物本體垂直位移和地表沉降的測量裝置中，成像系統(tǒng)包括光學鏡頭、圖像傳感器、核心控制功能單元、處理存儲單元和遠程通訊單元；所述的圖像傳感器為CCD或CMOS傳感器，所述的核心控制功能單元包括觸發(fā)信號檢測模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和靶標圖像特征提起及識別模塊，用于靶標圖像的處理和識別；所述的處理存儲單元與核心控制功能單元相聯(lián)，用于圖像數(shù)據(jù)的存儲和處理；所述的遠程通訊單元與處理存儲單元聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送。

用于大型結構物本體垂直位移和地表沉降的測量方法，包括以下步驟：

[1]安裝：在大型結構物上安裝測量靶標、基準靶標、靜力水準儀、激光測距儀，其中靜力水準儀的測量沉降探頭和測量靶標固定在大型結構物的側壁或頂部，測量靶標安裝在待測量點位置，基準靶標設置在對應的測量沉降探頭上；激光測距儀設置在測量靶標所在的大型結構物的對應位置處，并垂直指向待測的地面目標處。

[2]測量：開啟成像系統(tǒng)，使得基準靶標和測量靶標在成像系統(tǒng)的敏感元的不同位置上成像，開啟靜力水準儀，測量基準靶標所在的測量沉降探頭的高度值；開啟激光測距儀，對激光測距儀和地面目標之間的距離；

[3]校準：對成像系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，獲取基準靶標和測量靶標的位移值；對靜力水準儀進行數(shù)據(jù)處理，計算得到測量沉降探頭的位移值；并根據(jù)測量沉降探頭的位移值對測量靶標的位移值進行修正校準，扣除成像系統(tǒng)因自身安裝基礎位移帶來的測量誤差，獲得測量靶標所在測量點的真實位移值；并根據(jù)激光測距儀測量得到的距離變化值，計算得到地面的沉降參數(shù)。

上述用于大型結構物本體垂直位移和地表沉降的測量方法中，步驟[3]中的校準步驟包括：

[3.1]根據(jù)測量靶標的位置變化值，并結合測量靶標與成像系統(tǒng)之間的距離、成像系統(tǒng)的光學參數(shù)，計算得到測量靶標的位移值x1；

[3.2]根據(jù)基準靶標的位置變化值，并結合基準靶標與成像系統(tǒng)之間的距離、成像系統(tǒng)的光學參數(shù)，計算得到基準靶標的位移值x0；

[3.3]根據(jù)靜力水準儀中基準沉降探頭和測量沉降探頭的液面高度，計算得到測量沉降探頭的位移值y0；

[3.4]激光測距儀測量得到激光測距儀和地面之間的位移變化值m；

[3.5]經(jīng)校準后測量靶標所在的測量點的位移x11＝x1+y0-x0；

[3.6]地表沉降參數(shù)n＝x11-m。

本實用新型具有的有益技術效果如下：

1、本實用新型在現(xiàn)有CCD像機和測量靶標組成的位移測量裝置的基礎上，增加了基準靶標、激光測距儀和靜力水準儀，將基準靶標設置在靜力水準儀的一個測量沉降探頭上，并在每只激光測距儀上設置有測量靶標，由靜力水準儀給出該測量沉降探頭的絕對位移值，作為基準靶標的絕對位移值。安裝調試中，使得基準靶標和測量靶標同時成像在CCD像機上，并在數(shù)據(jù)處理中，根據(jù)基準靶標的位移值來修正其他測量點的位移值，同時利用激光測距儀測量得到的測量靶標和地表之間的距離變化，就可以獲得地表沉降的相對位移，與激光測距儀相匹配的測量靶標數(shù)據(jù)相結合，得到了地表沉降的絕對位移值。該方法克服了測量系統(tǒng)因成像系統(tǒng)受到載荷或自身安裝基礎變形等原因而產(chǎn)生的位移，最終導致系統(tǒng)的測量誤差，提高了測量精度。

2、本實用新型的靜力水準儀包括通液管相聯(lián)通的基準沉降探頭和若干只測量沉降探頭，測量沉降探頭和測量靶標固定在大型結構物的側壁或頂部，基準靶標設置在其中某只測量沉降探頭上，基準沉降探頭設置在大型結構物外部位移或變形可忽略的區(qū)域，通過基準沉降探頭和測量沉降探頭之間的關系，計算得到測量沉降探頭的精確位移，同時若干個測量沉降探頭分布在被測量隧道的多個測量點，與若干個成像系統(tǒng)、靶標相配合，實現(xiàn)了隧道等大型結構物參數(shù)的分布式自校準測量。

3、本實用新型的地表沉降參數(shù)是通過多個環(huán)節(jié)綜合測量得到；首先基準靶標設置在靜力水準儀的某只測量沉降探頭上，通過靜力水準儀的數(shù)據(jù)處理可以得到該基準靶標的絕對位移；其次測量靶標和基準靶標在成像系統(tǒng)的敏感元上同時成像，可計算得到測量靶標和基準靶標之間的相對位移，故可得到測量靶標的絕對位移；接著由于測量靶標設置在激光測距儀的外殼上，則該測量靶標的位移即為激光測距儀自身的絕對位移；最后激光測距儀測量得到的地表和激光測距儀之間的位移，結合激光測距儀自身的絕對位移，就得到了地表沉降參數(shù)的絕對值。這種方案實現(xiàn)了地表沉降參數(shù)的無擾動測量，對于隧道等大型結構物來說，不影響內部車輛的通行，具有較高的推廣應用價值。

4、本實用新型的核心控制功能單元采用嵌入式系統(tǒng)，結構緊湊可靠，方便應用；同時設置有遠程通訊傳輸單元，可將測量的結果通過GPRS系統(tǒng)、3G無線網(wǎng)絡等無線傳輸系統(tǒng)或光纜等有線傳輸系統(tǒng)，傳輸至遠端的值班室，滿足了遠程無人值守全天候的野外工作要求。

5、本實用新型的靶標采用加電的LED或LD燈帶作為靶標，可以實現(xiàn)24小時全天候的工作，并具有特征目標提取方便和準確度高的特點，測量精度也相應提高。

附圖說明

圖1為本實用新型自校準式測量裝置測量單元在隧道測量應用原理示意圖；

圖2為測量裝置在隧道某一處測量布局示意圖；

圖3為靜力水準儀在初始靜態(tài)狀態(tài)下的原理示意圖；

圖4為靜力水準儀在位移測量狀態(tài)下的原理示意圖；

圖5為基準靶標和測量靶標在CCD像元上成像位置示意圖；

圖6為本實用新型成像系統(tǒng)組成原理示意圖；

附圖標記如下：1—光學鏡頭；2—圖像傳感器；3—觸發(fā)控制單元；4—遠程通訊單元；5—核心控制功能單元；6—處理存儲單元；11—大型結構物；12—成像系統(tǒng)；13—測量靶標；14—基準靶標；15—支桿；16—測量靶標圖像；17—基準靶標圖像；18—顯示屏幕；20——數(shù)據(jù)處理中心；21—基準沉降探頭；22—測量沉降探頭；23—通液管；24—變形測量區(qū)域；25—穩(wěn)定區(qū)域；26—激光測距儀；27—地面；28—激光測距儀出射反射激光。

具體實施方式

本實用新型的測量系統(tǒng)主要用于大型結構物頂部、腰等關鍵部位的位移或形變測量，同時對其地表沉降進行測量，其中大型結構物包括隧道、巖洞、房屋、地下室和橋梁等，下面以隧道為例。

如圖1和圖2所示，用于大型結構物垂直位移及地表沉降的測量裝置，包括設置在遠端的數(shù)據(jù)處理中心20和若干個測量單元，其中每個測量單元包括成像系統(tǒng)12、基準靶標14、靜力水準儀、不少于一只的測量靶標13，靜力水準儀包括由通液管23相聯(lián)通的基準沉降探頭21和若干只測量沉降探頭22。數(shù)據(jù)處理中心20設置在測量遠端，成像系統(tǒng)12安裝在大型結構物合適的位置，測量沉降探頭22和測量靶標13固定在大型結構物11的側壁或頂部，基準靶標14設置在其中某只測量沉降探頭22上，且基準靶標14和測量靶標13在成像系統(tǒng)12的敏感元的不同位置上成像。

為了實現(xiàn)地表沉降測量，每個單元還包括不少于一只的激光測距儀26，激光測距儀26設置在測量靶標13所在的大型結構物的對應位置處，并垂直指向待測的地面目標處，可以測量得到激光器出口和反射地面27之間的距離，其中28為激光測距儀出射和反射的激光，激光測距儀就是通過測量反射到目標的光來計算得到激光器出口和目標之間的距離。在實施中可將測量靶標13固定在激光測距儀26的外殼上，這樣可以由測量靶標13的位移來得到激光測距儀26自身的位移抖動。需要說明的是，一個測量單元中可能包含若干個測量靶標13，但是激光測距儀26則根據(jù)地面測量的需求，數(shù)量可以少于測量靶標的數(shù)量。

數(shù)據(jù)處理中心獲取靜力水準儀、激光測距儀和成像系統(tǒng)的測量結果后，根據(jù)沉降探頭、基準靶標和測量靶標的測量結果，計算得到測量點的位移或變形參數(shù)，再根據(jù)測量靶標和激光測距儀的結果，計算得到地表沉降參數(shù)。

由于成像系統(tǒng)在測量應用中固定在大型結構物上，自身也隨著基礎產(chǎn)生位移和變形，導致測量結果的不準確，為了矯正成像系統(tǒng)自身帶來的誤差，本實用新型引入的基準靶標，并將基準靶標固定在靜力水準儀的一個沉降探頭上，并通過靜力水準儀的結果測量得到基準靶標的位移參數(shù)，這樣只需要測量得到基準靶標和測量靶標之間的相對位移，即可以得到測量點的準確位移，從而對成像系統(tǒng)的自身進行校準。此外將激光測距儀和測量靶標相結合，通過前面的基準靶標得到測量靶標的自身位移，再結合激光測距儀測量得到的測量靶標和地表之間的距離變化，就可以得到地表的沉降參數(shù)。

靜力水準儀的工作原理如圖3和圖4所示，圖中給出了1#、2#、3#和4#探頭，其中1#探頭作為基準沉降探頭21，設置在大型結構物設置在大型結構物外部或內部位移或變形可忽略的穩(wěn)定區(qū)域25，而2#、3#和4#探頭作為測量沉降探頭14則設置在隧道的頂部、腰部等需要測量的區(qū)域，其中的一只測量沉降探頭上固定有基準靶標22。測量時成像系統(tǒng)12將該基準靶標和該區(qū)域的其他測量靶標一起成像，從而計算得到測量靶標和基準靶標之間的相對位移。

圖3中靜力水準儀在初始靜態(tài)狀態(tài)下，由通液管連通的每只測量探頭的液平面平齊，即H10＝H20＝H30＝H40，當靜力水準儀處于圖4所示的位移測量狀態(tài)時，1#探頭處于穩(wěn)定區(qū)域，作為基準液面；而2#、3#、4#處于測量區(qū)域，隨著測量點的上下位置起伏而出現(xiàn)了液面的上升或下降。

根據(jù)靜力水準儀的測量原理，有△h1＝H1-H10、△h2＝H2-H20、△h3＝H3-H30、△h4＝H4-H40……△hi＝Hi-Hi0。其中計算結果：△hi為正值表示該測點貯液容器內的液面升高，△hi為負值表示該測點貯液容器內的液面降低。當選定測點1為基準點，則其它各測點相對基準點的垂直位移(沉降量)為：△H2＝△h1-△h2、△H3＝△h1-△h3、△H4＝△h1-△h4、……△Hi＝△h1-△hi。其中計算結果：△Hi為正值表示該測點地基抬高，△Hi為負值表示該測點地基沉降。如果知道兩測點間的水平距離L，則兩測點間相對傾斜的變化也可算得。由此可知，通過測量沉降探頭與基準沉降探頭之間的液面差，即可得到該材料沉降探頭的位移值，進而也得到安裝在該材料沉降探頭上的基準靶標的位移值。

測量靶標13和基準靶標14在CCD光敏元上的成像如圖5所示，圖中16、17分別為測量靶標圖像和基準靶標圖像，18為顯示屏幕。由于基準靶標14處在位移為零或位移很小的橋墩附近，因此其位移可忽略，而測量靶標13和成像系統(tǒng)12均處在橋梁中部位移和形變最大的區(qū)域，當載重車輛駛入橋梁時，會使得測量靶標13的圖像產(chǎn)生上下方向的位移x1,而成像系統(tǒng)CCD自身產(chǎn)生的本底位移就是基準靶標14的位移xO，對其進行扣除，可得到準確的測量點位移值。

如圖6所示,成像系統(tǒng)包括光學鏡頭1、圖像傳感器2、核心控制功能單元5、處理存儲單元6和遠程通訊單元4；圖像傳感器2為CCD或CMOS傳感器，核心控制功能單元5包括觸發(fā)信號檢測模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和靶標圖像特征提起及識別模塊，用于靶標圖像的處理和識別；處理存儲單元6與核心控制功能單元5相聯(lián)，用于圖像數(shù)據(jù)的存儲和處理；遠程通訊單元4與處理存儲單元6聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送。

光學鏡頭1瞄準被測量目標上設置的靶標，在應用中可選變焦距的鏡頭，將不同距離、不同大小的目標成像至圖像傳感器上，這種工作方式對測量目標具有良好的適應性，并具有測量范圍大的特點，其中圖像傳感器2為CCD或CMOS傳感器，用于實時獲取被測量目標的圖像。

本實用新型的靶標可以為目標對象上的一個特定圖案或連續(xù)工作的加電靶標。本裝置對靶標要求不高，如果采用加電的LED或LD燈帶作為靶標，則可以實現(xiàn)24小時全天候的工作，并具有特征目標提取方便和準確度高的特點，測量精度也相應提高。

觸發(fā)控制單元3用于提供遠程位移傳感器所需的觸發(fā)信號，傳感器平時不工作，只有當外界觸發(fā)信號到來時，位移傳感器才開始工作，減小了數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫?。遠程通訊單元4與處理存儲單元6聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送。

遠程通訊單元4可以為無線GPRS系統(tǒng)、3G、4G等無線移動網(wǎng)絡傳輸模塊或光纜等有線傳輸系統(tǒng)，將測量結果傳輸至遠端的數(shù)據(jù)處理中心20，滿足了遠程無人值守全天候的野外工作要求。

本實用新型用于大型結構物垂直位移或變形參數(shù)具體測量步驟如下：