CN101063610B - 工程变形自动监测*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种工程上使用的自动监测***，特别适用于一种基于激光准直的用于大型工程体的全自动形变监测***。本发明由光发射***、光接收定位***、测点准直定位***、自寻的激光测距与定位***MCU控制及CPU控制、能源***、环境维持***组成，在工程体的两端分别安置光发射***和光接收定位***，由这两个***建立一根水平的准直激光轴，利用工程体周边的形变控制网、自寻的激光测距与定位***跟踪激光轴的空间位置，确定激光轴的空间直线方程；多个测点准直定位***沿激光轴分布于工程体的待监测点上，并检测出待监测点与激光轴正交的水平向及垂直向的相对于激光轴的位移，当落雨传感器、风速传感器、沙尘传感器任一个的信号输出达到一定的限值时，CPU将向各子***发出信号，关闭其子***护罩。

Description

工程变形自动监测***

技术领域

本发明涉及了一种工程上使用的自动监测***，特别适用于一种基于激光准直的用于大型工程体的全自动形变监测***。

背景技术

目前的水坝、水库、桥梁等工程体的安全性评估主要依赖于形变监测数据，如水平位移、垂直位移、挠度、倾斜、表面接缝及裂缝等；水平位移的监测方法主要有：活动觇标法、小角度法、正倒垂线、引张线、真空激光准直法、前方交会法和导线法等。垂直位移的监测方法主要有：精密水准、静力水准、三角高程、连通管真空激光准直法等。这些方法最初均采用光学仪器人工测量，随着自动化技术的发展，到目前为止，已实现了垂线、引张线、静力水准、真空激光准直的自动化，并且出现了GPS、全站仪及光纤监测***。

真空激光准直***需要冷却设备，还要保持一定的真空度，施工安装困难，且波带板的复位精度、灵敏度和管内真空度长时间较难保证，且一块波带板翻转不成功即会影响到其它测点的测量，冷却水、真空泵工作长期协调难度大，如果***出现漏气、波带板复位失效问题，维修工程量较大。GPS自动化***投资费用较高，隔河岩***总经费超过600万元，除去软件，由于每个变形测点需配备天线及GPS接收机，单点费用也在20万元以上，其测量精度受位置和测量时间影响较大，如廊道内就无法进行观测，要得到测点的精确测值，测量时间较长，更重要的因GPS卫星是美国政府用于军事目的而发射的，从战略意义上讲，一个国家的水库、大坝、桥梁的监测是不能依赖这种方法的。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种无人值守全自动大型工程体的形变监测***，该***可用于直线分布的大型工程体，如水坝、水库 桥梁 防洪大堤等，对线性分布于工程体上的敏感点进行连续的或间歇的无线寻检，除采集各点的水平位移、垂直位移、挠度、倾斜、温度、湿度等数据外，还可于大屏幕LCD上显示工程体的中轴线的三维动态曲线。

发明内容

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：为解决上述技术问题，本发明由光发射***、光接收定位***、测点准直定位***、自寻的激光测距与定位***MCU控制及CPU控制、能源***、环境维持***组成，在工程体的两端分别安置光发射***和光接收定位***，由这两个***建立一根水平的准直激光轴，利用工程体周边的形变控制网、自寻的激光测距与定位***跟踪激光轴的空间位置，确定激光轴的空间直线方程；多个测点准直定位***沿激光轴分布于工程体的待监测点上，并检测出待监测点与激光轴正交的水平向及垂直向的相对于激光轴的位移，当落雨传感器、风速传感器、沙尘传感器任一个的信号输出达到一定的限值时，CPU将向各子***发出信号，关闭其子***护罩。

本发明所述每个测点准直定位***都带有独立的基于MCU的检测与控制***，其通过无线数传与光发射***中的CPU作数据交流，MCU与光电器件控制自寻的激光测距的护罩在水平方向旋转。测点相对于准直激光轴的正交水平及垂直向的位置移动。

所述测点准直定位***的能源由光发射***中的充电与测距激光器通过大功率激光充电来提供。所述测点准直定位***的伺服平台位于待监测点的测墩之上，待监测点的空间倾斜可由伺服平台上的高精度双轴倾斜传感器检测，并由伺服马达调整伺服平台。

本发明所述光发射***包括高性能准直激光器、大功率充电及测距激光器、伺服平台、稳压电源、水平定位传感器、MCU控制电路、CPU数据处理电路，所述高性能准直激光器固定于伺服平台上，伺服平台采用三螺杆支撑马达伺服式或双自由度重力惯性伺服式或双旋转面马达伺服式。所述三螺杆支撑马达伺服平台包括底座、支撑螺杆、带减速箱伺服马达、位移传感器、双轴倾斜传感器、磁偏角传感器、微步进马达，所述底座由三个垂直于底座且等角度分布的支撑螺杆支撑，支撑螺杆的旋转可控制底座俯仰，两个带减速箱的伺服马达分别伺服其中两个支撑螺杆以控制底座沿两个方向俯仰。所述双轴倾斜传感器固定于底座上，其输出信号将控制伺服马达动作以保持底座始终处于水平状态，底座的倾斜修正量由两个位移传感器检测。所述双轴倾斜传感器采用绝对式旋转编码器，其与所述伺服马达一起固定于减速箱上，检测支撑螺杆的绝对旋转量。所述磁偏角传感器可检测底座的空间水平向的扭转，当此扭转超出限值时，所述MCU控制电路将控制所述微步进马达动作以修正激光器光轴的方向。

本发明所述光发射***、光接收定位***、自寻的激光测距定位***与测点准直定位***一样，均有伺服平台提供水平伺服，各伺服平台上还设置有磁偏传感器，借助于磁偏角传感器，不仅所有***在安装运行中有了方向基准，而且可检测出工程体两端及所有待监测点的水平向的扭转。所述自寻的激光测距的测距仪自动对难形变控制点上的反射镜，反射镜上有保护罩，保护罩上开合窗口由MCU及光敏器件控制。

本发明与现有技术相比具有自动化程度高、通用性好、精度高、工作可靠、结构筒单等多种优点。

附图说明

图1是本发明的全自动形变监测***结构示意图。

图2a、2b是本发明光发射***结构示意图。

图3是本发明伺服平台结构示意图。

图4a、图4b是本发明测点准直激光器结构示意图。

图5a、图5b、图5c是本发明光接收定位***结构图。

图6是本发明金属保护罩结构示意图。

具体实施例

下面结合附图说明对本发明作进一步详细的描述：如图1所示，本发明提供一种基于激光准直的用于大型工程体的全自动形变监测***，该***由光发射***、光接收定位***、测点准直定位***、自寻的激光测距与定位***MCU控制及CPU控制、能源***、环境维持***组成，在工程体的两端分别安置光发射***和光接收定位***，由这两个***建立一根水平的准直激光轴，利用大型工程体周边的形变控制网(该控制网通常是由更高一级的控制网控制的)，自寻的激光测距与定位***可以跟踪激光轴的空间位置，亦即可以确定任一检测时刻的激光轴的空间直线方程；多个测点准直定位***沿激光轴分布于工程体的待监测点上，并以亚毫米级精度快速检测出待监测点与激光轴正交的水平向及垂直向的相对于激光轴的位移，每个测点准直定位***都带有独立的基于MCU(单片机)的检测与控制***，其通过无线数传与光发射***中的CPU作数据交流，在环境较恶劣的地区，测点准直定位***的能源可由光发射***中的充电与测距激光器通过大功率激光充电来提供，测点准直定位***的伺服平台位于待监测点的测墩之上，待监测点的空间倾斜可由伺服平台上的高精度双轴倾斜传感器检测，经由MCU驱动伺服机构控制平台保持水平，同时MCU可通过伺服机构上联动的绝对式位移传感器检测出待监测点空间倾斜轨迹，光发射***光接收定位***自寻的激光测距与定位***与测点准直定位***一样，均有伺服平台提供水平伺服，各伺服平台上还设置有磁偏角传感器，借助于磁偏角传感器，不仅所有***在安装运行中有了方向基准，而且可检测出工程体两端及所有待监测点的水平向的扭转。

所有这些子***构成一个野外基站，基站的控制中心基于一高性能的CPU及相关的软件、控制电路、无线收发电路、电源电路等，其集成于光发射***中，在无人值守的状态下工作时，基站的能源由一台风能发电机及一架自跟踪太阳能电池板提供，当然，如果条件允许，也可使用有线电源。野外基站与内地总控制中心的通信可采用多种方式，如：借助已有的GSM网络通信，利用GPRS短信通信，租借专用卫星通道通信、单边带通信等，基站内CPU与各子***之间的通信采用目前较成熟的无线数传模块，由CPU统一控制各子***的动作，各子***均有坚固的护罩保护，并由各自的MCU控制；当连接于CPU的落雨传感器、风速传感器、沙尘传感器任一个的信号输出达到一定的限值时，CPU将向各子***发出信号关闭其护罩；各子***均有双可充电电池组，各子***的MCU可控制切换，当使用的一组电压过低时，MCU可自动切换到另一组，并向基站控制中心的CPU发出充电请求信号，CPU将在空闲时对其充电；

对工程体上各待监测点形变及温度湿度等数据的采集，是由CPU的软件控制的，有连续寻检、间歇寻检、定时寻检，远程总控制中心可控制其采集方式，自寻的激光测距与定位***的的起动可由CPU根据对其所测数据的分析而决定其间歇周期，也可由远程总控制中心控制；CPU除将所有采集的数据备份以外，要向远程总控制中心即时发送，每次数据的发送与接收都有校验，以确保数据无漏无错。如附图2a、图2b所示，光发射***被安置于工程体的较开阔且交通相对较便利的一端。所述光发射***包括高性能准直激光器1、大功率充电及测距激光器2、伺服平台、稳压电源、水平定位传感器3MCU控制电路、CPU数据处理电路，所述高性能准直激光器1固定于伺服平台上，伺服平台有多种结构：三螺杆支撑马达伺服式、双自由度重力惯性伺服式、双旋转面马达伺服式。本实施例采用结构较简单且便于安装，如图3所示的三螺杆支撑马达伺服式，该伺服平台包括底座5、支撑螺杆4、带减速箱伺服马达6、位移传感器7、双轴倾斜传感器8、磁扁角传感器9、微步进马达10，所述底座5由三个垂直于底座且等角度分布的支撑螺杆4支撑，支撑螺杆4的旋转可控制底座5俯仰，两个带减速箱的伺服马达6分别伺服其中两个支撑螺杆4以控制底座5沿两个方向俯仰，所述双轴倾斜传感器8固定于底座5上，其输出信号将控制伺服马达6动作以保持底座5始终处于水平状态，底座5的倾斜修正量由两个位移传感器检测7，本实施例使用的是绝对式旋转编码器，其与所述伺服马达6一起固定于减速箱上，可检测支撑螺杆4的绝对旋转量，所述磁偏角传感器9可检测底座5的空间水平向的扭转，当此扭转超出限值时，所述MCU控制电路将控制所述微步进马达10动作以修正激光器光轴的方向，此项修正须参考所述光接收定位***的反馈信息。

所述高性能准直激光器将提供一束功率稳定的激光，其光斑呈圆形，光强分布均匀，或光强分布一定，光柱不抖动；所述大功率充电及测距激光器除给所述的测点准直定位***提供能源外，CPU还可通过充电时反射回的激光测出相应的待监测点沿光轴向的精确距离，从而可由光轴的空间直线方程归算出该待监测点的起始坐标和瞬时坐标。

如附图4a、图4b所示，该***被安置于工程体的待监测点(工程体的形变敏感点)上，其伺服底座的结构及工作原理与如上所述的光发射***中的伺服底座基本相同，此处不再赘述；图中示出的精密导轨11水平固定于伺服底座5上，精密导轨11的一端与一沿精密导轨11平动的精密滑块12正交且刚性联结，精密滑块12通过精密丝杠副13与精密导轨11联结，精密滑块12在精密导轨11中的运动是由伺服马达6经减速箱14驱动精密丝杠13旋转而实现的，精密滑块12相对精密导轨11的移动矢量可由位移传感器7检测，本实施例采用的是由与减速箱14联动的绝对式旋转编码器15检测的；安装***时，使精密导轨11的丝杠13与准直激光器1的光轴正交，这个工序可借助磁偏传感器9来完成；

精密滑块12上固定了一个光轴定位传感器16，该传感器由四块精密刻划的光伏器件组成一圆环结构，四块精密刻划的光伏器件对称地分布于圆环的四个象限，其内圆直径略小于所述准直激光器1的光轴的直径，对称的上下两块接一差动放大器，其输出驱动精密导轨11上的伺服马达，对称的左右两块接另一差动放大器，其输出驱动精密导轨11上的伺服马达6，安装时使内圆的轴线与准直激光器1的光轴重合，这样当工程体上的待监测点发生位移时，将导致内圆的轴线偏离准直激光器的光轴，此时所述的两个差动放大器均将有输出，从而驱动各自的伺服马达6动作，直至所述光伏器件内圆的轴线与所述准直激光器1的光轴重合即所述的两个差动放大器均没有输出；设计上使沿所述准直激光器1的光轴延伸方向排列的所有所述测点准直定位***的光伏器件的内圆直径呈等差排列，亦即后一个光伏器件的内圆直径比前一个小一常数，本实施例设计为0.2mm，这样的设计就可以保证当所述准直激光器1的光柱穿过任何一个光伏器件时，落在其上的光斑直径都会大于该光伏器件的内圆直径，加之所述准直激光器1的光柱在传播过程中均匀发散的部分，将会有足够的光强使所述光伏器件产生信号输出给与其相连的差动放大器以驱动伺服马达6动作。

所述光伏器件朝向所述准直激光器1的一面设计为曲面，其内圆的边缘呈刀刃状，这样既不会有沿所述准直激光器的光柱反射的光干扰所述准直激光器的工作，同时，所述准直激光器的光柱穿过所述光伏器件后，投射于下个光伏器件表面的光斑的边缘仍可保持圆滑，从而保证所述光伏器件对工程体上的待监测点发生的微小位移即有灵敏的响应。所述测点准直***被密封于一个坚固的非磁性的金属保护罩中，保护罩的内侧壁连接有可收放光伏器件，可由内部一马达驱动收放，当所述光发射***发出指令对所述测点准直***进行充电时，所述测点准直***的MCU将控制其放出，充电结束立即由收放窗口收回，用软性材料将其与内部***隔离；另外，所述测点准直***的光轴定位传感器也使用软性材料与内部***隔离，***内部采用隔热材料并由半导体制冷器件调温及除湿。

所述光接收定位***，被安置于工程体的另一端，该***可分为光轴定位***和激光测距定位***两部分，如图5a、5b、5c所示，光轴定位***的结构及工作原理与上述的测点准直定位***基本相同，所不同的是测点准直***中所述的光轴定位传感器被附图5a中的光伏器件18与CMOS或CCD图像器件17的组合所代替，另就是多了一个附图5a示出的安置于竖直向精密导轨11顶端的CMOS或CCD图像传感器17，光伏器件18的结构及工作原理与上述的测点准直定位***中的光轴定位传感器基本相同，所不同的是尺寸大了一些，中间嵌入了一个图像传感器17，该器件可跟踪上述准直激光器1的光柱的中心，结合所述的激光测距定位***即可确定准直激光轴末端的空间坐标。

如附图5c所示，所述自寻的激光测距与定位***由市购的高精度激光测距仪22、微型近距离激光测距仪19、竖直平面内旋转驱动20水平面内旋转驱动21、伺服平台5组成，伺服平台5的结构及工作原理与上述的伺服平台5相同，此处不再赘述。借助竖直平面内旋转驱动20和水平面内旋转驱动21，高精度激光测距仪22可在MCU的控制下根据坐标备份自动依次寻找工程体周边形变控制网中的各控制点，并且MCU会通过对反射光强的判断精确地照准控制点上安置的反射镜，而后控制所述高精度激光测距仪22进行测距，数据同时以无线或有线方式传送给基站CPU作平差处理；

所述微型近距离激光测距仪19的激光束法向伺服平台5，并投射到附图5a中示出的CMOS或CCD图像器件(定位传感器)17上，可快速精确地测出伺服平台5到所述图像器件17的距离，同时所述图像器件17也将检测出所述激光束投影的水平坐标。

所述自寻的激光测距与定位***也配有一个坚固的非磁性的金属保护罩，如附图6所示，护罩23的内部装有光敏器件24，MCU通过它将检测到附图5C所示，半导体激光25发出的光束的移动，并控制护罩水平旋转驱动马达26动作，使所述金属保护罩23对激光测距仪22的水平向的旋转保持跟随；附图所示的可自动开合窗口27，当激光测距仪22工作时，如遇下雨下雪或风沙天气将在MCU的控制下自动闭合。

Claims (10)

1.一种工程变形自动监测***，由光发射***、光接收定位***、测点准直定位***、自寻的激光测距与定位***、MCU控制电路及CPU控制、能源***、环境维持***组成，其特征在于在工程体的两端分别安置光发射***和光接收定位***，由这两个***建立一根水平的准直激光轴，利用工程体周边的形变控制网、自寻的激光测距与定位***跟踪激光轴的空间位置，确定激光轴的空间直线方程；多个测点准直定位***沿激光轴分布于工程体的待监测点上，并检测出待监测点与激光轴正交的水平向及垂直向的相对于激光轴的位移；当落雨传感器、风速传感器、沙尘传感器任一个的信号输出达到一定的限值时，CPU将向各子***发出信号，关闭其子***护罩。

2.根据权利要求1所述的工程变形自动监测***，其特征在于所述每个测点准直定位***都带有独立的基于MCU的检测与控制***，其通过无线数传与光发射***中的CPU作数据交流，MCU与光电器件控制自寻的激光测距的护罩在水平方向旋转。

3.根据权利要求2所述的工程变形自动监测***，其特征在于所述测点相对于准直激光轴的正交水平及垂直向的位置移动；准直定位***的能源由光发射***中的充电与测距激光器通过大功率激光充电来提供。

4.根据权利要求3所述的工程变形自动监测***，其特征在于所述测点准直定位***的伺服平台位于待监测点的测墩之上，待监测点的空间倾斜由伺服平台上的高精度双轴倾斜传感器检测，并由伺服马达进行调整。

5.根据权利要求1所述的工程变形自动监测***，其特征在于所述光发射***包括高性能准直激光器、大功率充电及测距激光器、伺服平台、稳压电源、水平定位传感器、MCU控制电路、CPU数据处理电路，所述高性能准直激光器固定于伺服平台上，伺服平台采用三螺杆支撑马达伺服式或双自由度重力惯性伺服式或双旋转面马达伺服式。

6.根据权利要求5所述的工程变形自动监测***，其特征在于所述三螺杆支撑马达伺服平台包括底座、支撑螺杆、带减速箱伺服马达、位移传感器、双轴倾斜传感器、磁偏角传感器、微步进马达，所述底座由三个垂直于底座且等角度分布的支撑螺杆支撑，支撑螺杆的旋转控制底座俯仰，两个带减速箱的伺服马达分别伺服其中两个支撑螺杆以控制底座沿两个方向俯仰。

7.根据权利要求6所述的工程变形自动监测***，其特征在于所述双轴倾斜传感器固定于底座上，其输出信号将控制伺服马达动作以保持底座始终处于水平状态，底座的倾斜修正量由两个位移传感器检测。

8.根据权利要求7所述的工程变形自动监测***，其特征在于所述双轴倾斜传感器采用绝对式旋转编码器，其与所述伺服马达一起固定于减速箱上，检测支撑螺杆的绝对旋转量。

9.根据权利要求6所述的工程变形自动监测***，其特征在于所述磁偏角传感器能够检测底座的空间水平向的扭转，当此扭转超出限值时所述MCU控制电路将控制所述微步进马达动作以修正高性能准直激光器光轴的方向。

10.根据权利要求1所述的工程变形自动监测***，其特征在于所述光发射***、光接收定位***、自寻的激光测距与定位***和测点准直定位***一样，均为伺服平台提供水平伺服，各伺服平台上还设置有地磁传感器，借助于地磁传感器，不仅所有***在安装运行中有了方向基准，而且能够检测出工程体两端及所有待监测点的水平向的扭转；所述自寻的激光测距与定位***的测距仪自动对准形变控制点上的反射镜，反射镜上有保护罩，保护罩上开合窗口由MCU及光敏器件控制。

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