CN102768033B

CN102768033B - 一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置及应用方法

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Publication number: CN102768033B
Application number: CN201210215114.9A
Authority: CN
Inventors: 郭建珠; 连清旺; 何艳; 弓培林; 王天敏; 蔡喜年; 田国政; ***; 张英
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: CN102768033A

Abstract

一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置及应用方法，属于大型桥梁、高层建筑、高速铁路、矿山、大型设备、地质环境监测、地质灾害预警等的建设和运营管理过程中变形监测技术领域，其特征在于是一种只在高程变形监测点布置测量钵体，与高程变形稳定点安装的钵体用管路连接成连通器，加入适量的惰性水，即可及时准确地测量出监测点不同层面高程位置变化和高程位置变化速率的装置，在计算机上实时在线集中掌握各监测点的不同层面高程位置变化情况，可以有效地对大型桥梁、高层建筑、高速铁路、矿山、大型设备、地质环境、地质灾害预警等的建设和运营管理过程中变形的运行情况进行实时在线监测和控制。该装置简单、稳定、可靠，不易损坏。

Description

一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置及应用方法

技术领域

本发明一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置及应用方法，属于大型桥梁、高层建筑、高速铁路、矿山、大型设备、地质环境监测、地质灾害预警等的建设和运营管理过程中变形监测技术领域，具体而言是一种用于及时准确地测量监测点不同层面高程位置变化的实时在线监测监控装置。

背景技术

在大型桥梁、高层建筑、高速铁路、矿山、大型设备、地质环境监测、地质灾害预警等的建设和运营管理过程中变形监测，往往由于不能及时准确地实时在线测量变形，没有根据变形及时采取措施，出现变形量增大影响工程质量、工程报废、返工等现象，甚至造成所建工程倒塌、失败、撞车、翻车、撞人、撞设备、人员伤亡、地质灾害发生等重大恶性事故，而现有的测量所采用的机械的方法、电子的方法，光学的方法，由于测量装置是针对表面变形的，而且是离线监测为主，不能反映同一监测点不同层面下的变形情况和变形过程，测量过程实时性差、内部不同层面的变形以推断为主不进行实时测量，就很容易造成测量数据的不完整，不准确、不能全方位反映变形过程，正如中国专利文摘数据库专利号为申请（专利）号：200910023730.2和201120042500.3 沥青路面层间应变传感器所公开的内容。

发明内容

本发明一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置及应用方法目的在于，为解决上述现有技术中存在和无法解决的问题，从而公开一种简单可靠、不易损坏、能够及时准确地测量出监测点不同层面高程位置变化的实时在线监测监控装置、在计算机上集中掌握并有效地控制变形情况，从而避免由于变形失控造成事故发生的测控装置。

本发明一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置，其特征在于本装置由第一液位传感器1、第一浮球2、第一浮磁环3、惰性水4、管路5、第一微变形传感器6、第二液位传感器7、第二浮球8、第二浮磁环9、第三液位传感器10、第三浮球11、第三浮磁环12、第二微变形传感器13、数据采集器14、连接线15、第一盖16、第二盖17、第三盖18、第一钵体19、第二钵体20、第三钵体21、计算机22组成，而且三个钵体的结构相同；其第一钵体19放置于一不受第二钵体20和第三钵体21变形因数影响的监测位置第一监测点201处作为变形参考点即测量基准点，各钵体之间通过管路5组成三钵体连通器，并通过第一液位传感器1反映测量基准点基准值；第二钵体20放置于第二监测点202用于监测第二监测点202高程位置变化和反映第二监测点202同一变形性质但位置为不同层面的第三监测点203的高程位置变化情况，通过第二液位传感器7反映的液位情况与第一液位传感器1反映测量基准点基准值的变化情况计算出第二监测点202高程位置变化，通过第一微变形传感器6反映的变形情况与第二监测点202高程位置变化情况计算出第二监测点202同一变形性质但位置为不同层面的第三监测点203的高程位置变化情况；第三钵体21放置于第四监测点204处用于监测第四监测点204高程位置变化和反映第四监测点204同一变形性质但位置为不同层面的第五监测点205的高程位置变化情况，通过第三液位传感器10反映的液位情况与第一液位传感器1反映测量基准点基准值的变化情况计算出第四监测点204高程位置变化，通过第二微变形传感器13反映的变形情况与第四监测点204高程位置变化情况计算出第四监测点204同一变形性质但位置为不同层面的第五监测点205的高程位置变化情况；第一钵体19、第二钵体20、第三钵体21均盛有不蒸发、不反应和在零下摄氏30度到零上摄氏40度范围内热胀冷缩性一致的惰性水，底部通过管路5连接，保证第一钵体19、第二钵体20、第三钵体21水位永远一致；第一液位传感器1、第一微变形传感器6、第二液位传感器7、第三液位传感器10、第二微变形传感器13通过连接线15与数据采集器14连接实现给各传感器的供电和数据传输，并由数据采集器14和计算机22实现各变形监测点的监测和监控。

上述的一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置，其特征在于所述的第一钵体19安装于不受变形影响的位置第一监测点201处。

上述的一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置，其特征在于所述的钵体20安装在第二监测点202处，同时监测第二监测点202高程位置变化情况与第二监测点202同一变形性质但位置为不同层面的第三监测点203的高程位置变化情况。

上述一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置，其特征在于所述的第三钵体21安装在第四监测点204，同时监测第四监测点204高程位置变化情况与第四监测点204同一变形性质但位置为不同层面的第五监测点205的高程位置变化情况。

上述一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置，其特征在于所述的第三钵体21、第二钵体20、第一钵体19底部由管路5连接成一连通器，以保证三个钵体的液面始终一致，而且三个钵体的结构相同。

上述一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置，其特征在于所述的第一液位传感器1、第一微变形传感器6、第二液位传感器7、第三液位传感器10、第二微变形传感器13通过连接线15与数据采集器14连接实现给各传感器的供电和数据传输，并由数据采集器14连接计算机22实现各变形监测点的监测和监控。

上述一种测量观测点不同层面高程位置变化的装置，其特征在于所述的第一液位传感器1用来检测第一钵体19液位的变化情况，第二液位传感器7用来检测第二钵体20液位的变化情况，第三液位传感器8用来检测第三钵体21液位的变化情况，第一微变形传感器6用来检测第二钵体20不同层面的第三监测点203的高程位置变化情况，第二微变形传感器13用来检测第三钵体21不同层面的第五监测点205的高程位置变化情况。

上述一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置的应用方法，其特征在于：

Ⅰ首先安装第三钵体21、第二钵体20、第一钵体19底部由管路5连接成一连通器，连接好各个信号线以及各个控制线，加入惰性水，使得第三钵体21、第二钵体20、第一钵体19液面在同一位置；

Ⅱ然后开启计算机22，待数据采集器14通入电流，第一液位传感器1、第一微变形传感器6、第二液位传感器7、第三液位传感器10、第二微变形传感器13开始测试运行状态，当第二监测点202、第三监测点203、第四监测点204、第五监测点205发生变形时，满足第一液位传感器1显示值稳定可靠时，通过第一微变形传感器6、第二液位传感器7、第三液位传感器10、第二微变形传感器13就可以将变形实时值准确的反映在计算机22，并与设定值比较，超过报警值就启动报警，通过第二监测点202与第三监测点203变形同步比较得出同一监测点202不同层面位置202和203变形情况，并通过第四监测点204与第五监测点205变形同步比较得出同一监测点204不同层面位置204和205变形情况；

Ⅲ计算公式为：下列单位：毫米

H₂₀₁为第一钵体19初始液位高度

H₂₀₂为第二钵体20初始液位高度

H₂₀₄为第三钵体21初始液位高度

H₂₀₃为第一微变形传感器6的初始位量指示值

H₂₀₅为第二微变形传感器13的初始位量指示值

H_201i为i时刻第一钵体19的实时液位高度

H_202i为i时刻第二钵体20的实时液位高度

H_204i为i时刻第三钵体21的实时液位高度

H_203i为i时刻第一微变形传感器6的实时位量指示值

H_205i为i时刻第二微变形传感器13的实时位量指示值

第一钵体19初始时刻与第i时刻液位差为：∆H_201i=H₂₀₁-H_201i

第二钵体20初始时刻与第i时刻液位差为：∆H_202i=H₂₀₂-H_202i

第三钵体21初始时刻与第i时刻液位差为：∆H_204i=H₂₀₄-H_204i

第一微变形传感器6初始时刻与第i时刻位量指示值差为：∆H_203i=H₂₀₃-H_203i

第二微变形传感器13初始时刻与第i时刻位量指示值差为：∆H_205i=H₂₀₅-H_205i

∆H₂₀₂ _下为监测点202初始时刻与第i时刻所处位置的差值，即初始时刻与第i时刻下沉量。

∆H₂₀₄ _下为监测点204初始时刻与第i时刻所处位置的差值，即初始时刻与第i时刻下沉量。

∆H₂₀₃ _下为监测点203初始时刻与第i时刻所处位置的差值，即初始时刻与第i时刻下沉量。

∆H₂₀₅ _下为监测点205初始时刻与第i时刻所处位置的差值，即初始时刻与第i时刻下沉量。

∆H_201i=（∆H₂₀₂ _下）/3+（∆H₂₀₄ _下）/3

∆H_202i=（2∆H₂₀₂ _下）/3-（∆H₂₀₄ _下）/3

∆H_204i=（-∆H₂₀₂ _下）/3+（2∆H₂₀₄ _下）/3

∆H₂₀₃ _下=∆H_203i-（∆H₂₀₄ _下）/3+（∆H₂₀₂ _下）/3

∆H₂₀₅ _下=∆H_205i-（∆H₂₀₂ _下）/3+（∆H₂₀₄ _下）/3

同一监测点202不同层面位置202和203变形情况∆H₂₀₂₂₀₃=∆H₂₀₂ _下-∆H₂₀₃ _下

同一监测点204不同层面位置204和205变形情况∆H₂₀₄₂₀₅=∆H₂₀₄ _下-∆H₂₀₅ _下

根据∆H₂₀₂₂₀₃的值就可获得监测点202、监测点203二者变形的同步性，差值越大反应出变形的同步性越差；同理根据∆H₂₀₄₂₀₅的值可以获得监测点204、监测点205之间变形的同步性。以上计算方法由计算机软件实现，其所采用的计算机软件由VC或VB实现；

Ⅳ发出控制指令：当计算机检测到的各监测点的变形量或变形速率超过设定值时，由计算机发出报警指令，启动报警。

本发明一种用来测量观测点不同层面高程位置变化的装置及应用的优点及其用途：

1、一种用来测量监测点不同层面高程位置变化的装置，本装置只在高程变形监测点布置测量钵体，与高程变形稳定点安装的钵体用管路连接成连通器，加入适量的惰性水，即可进行监测点的变形测量，该装置简单、稳定、可靠，不易损坏，且能够及时准确地测量出监测点不同层面高程位置变化和高程位置变化速率，在计算机上实时在线集中掌握各监测点的不同层面高程位置变化情况，可以有效地对大型桥梁、高层建筑、高速铁路、矿山、大型设备、地质环境、地质灾害预警等的建设和运营管理过程中变形的运行情况进行实时在线监测和控制，可及时采取措施，避免事故的发生，做到变形可控。易于近、远程测量及集中控制，受环境温度压力湿度等的影响很小。

2、一种用来测量观测点不同层面高程位置变化的装置，可靠地把不同层面高程位置变化的情况实时反映出来，这样就规避了仅监测表面变形情况这一监测手段的数据信息不完整的缺陷，使得变形监测工作者可以更方便地采取对应处理手段和措施，做到防患于未然。

３、实施方式多样（详见具体实施方式），可以根据实际情况进行选择配置。

附图说明：

图１：测量观测点不同层面高程位置变化装置的总装图

图中标号分别为：

1、第一液位传感器 2、第一浮球 3、第一浮磁环

4、惰性水 5、管路 6、第一微变形传感器

7、第二液位传感器 8、第二浮球 9、第二浮磁环

10、第三液位传感器 11、第三浮球 12、第三浮磁环

13、第二微变形传感器 14、数据采集器 15、连接线

16、第一盖、 17、第二盖 18、第三盖

19、第一钵体 20、第二钵体 21、第三钵体

22、计算机 23、数据通讯线。

具体实施方式：

实施方式１：该装置由第一液位传感器1、第一浮球2、第一浮磁环3、惰性水4、管路5、第一微变形传感器6、第二液位传感器7、第二浮球8、第二浮磁环9、第三液位传感器10、第三浮球11、第三浮磁环12、第二微变形传感器13、数据采集器14、连接线15、第一盖16、第二盖17、第三盖18、第一钵体19、第二钵体20、第三钵体21、计算机22组成，如图1所示，由三个监测钵体组成监测装置，第一钵体19基准监测点，第二钵体20和第三钵体21作为实时变形监测之目的。则第一钵体19初始时刻与第i时刻液位差为：∆H_201i=H₂₀₁-H_201i，因为三个钵体是由管路5连通的，所以第一钵体19初始时刻与第i时刻液位差也等于第二监测点202和第四监测点204总下降高度的1/3，即∆H_201i=（∆H₂₀₂ _下）/3+（∆H₂₀₄ _下）/3；第二钵体20初始时刻与第i时刻液位差为：∆H_202i=H₂₀₂-H_202i，因为钵体是连通的，所以在第二钵体20下降液位时会将自己下降的高度平均分到第一钵体19和第三钵体21中，因此第二钵体20初始时刻与第i时刻液位差也等于第二监测点202回升的高度与第四监测点204下降的高度之差，即∆H_202i=（2∆H₂₀₂ _下）/3-（∆H₂₀₄ _下）/3。第三监测点203的下沉量为第一微变形传感器6初始时刻与第i时刻位置指示值差∆H203i减去第三钵体21变形给它虚增的水位（∆H₂₀₄ _下）/3再加上自身钵体监测点202下降对基准液位的影响值（∆H_202i）/3，即∆H₂₀₃ _下=∆H_203i-（∆H₂₀₄ _下）/3+（∆H₂₀₂ _下）/3。同理第五监测点205的下沉量为第二微变形传感器13初始时刻与第i时刻位置指示值差∆H_205i减去第二钵体20变形给它虚增的水位（∆H₂₀₂ _下）/3再加上自身钵体监测点204下降对基准液位的影响值（∆H_204i）/3，即∆H₂₀₅ _下=∆H_205i-（∆H₂₀₂ _下）/3+（∆H₂₀₄ _下）/3。同一监测点202不同层面位置202和203变形情况为∆H₂₀₂₂₀₃=∆H₂₀₂ _下-∆H₂₀₃ _下，根据∆H₂₀₂₂₀₃的值就可获得监测点202、监测点203二者变形的同步性，差值越大反应出变形的同步性越差；同理同一监测点204不同层面位置204和205变形情况为∆H₂₀₄₂₀₅=∆H₂₀₄ _下-∆H₂₀₅ _下，则根据∆H₂₀₄₂₀₅的值可以获得监测点204、监测点205之间变形的同步性。

实施方式 2 ：在实施方式１情形下去掉第三钵体21，装置由第一钵体19和第二钵体20构成连通器，第一钵体19基准监测点，第二钵体20作为实时变形监测之目的，同实施方式1，计算公式中少了第四监测点204和第五监测点下降的部分，即

∆H_201i=（∆H₂₀₂ _下）/2

∆H_202i=（∆H₂₀₂ _下）/2

∆H₂₀₃ _下=∆H_203i+（∆H₂₀₂ _下）/2

同理可得出∆H₂₀₂₂₀₃的值为∆H₂₀₂₂₀₃=∆H₂₀₂ _下-∆H₂₀₃ _下，根据∆H₂₀₂₂₀₃的值就可获得监测点202、监测点203二者变形的同步性，差值越大反应出变形的同步性越差。

实施方式 3 ：在实施方式１情形下增加第四钵体22，装置由第一钵体19、第二钵体20、第三钵体21和第四钵体22构成连通器，第一钵体19为基准监测点，第二钵体20、第三钵体21和第四钵体22作为实时变形监测之目的，同实施方式1，这里多了第六监测点206、第七监测点207，则计算公式中增加了第六监测点206、第七监测点207的下降部分。通过上述三种实施方法可将公式总结如下：

设20S为第S监测点，t为总钵体个数（t≥2）。

则∆H_201i=（∆H₂₀₂ _下+...+∆H_20S _下）/t {s=2n,n=1,2,...,2(t-1)}

∆H_20Si=[(t-1)∆H_20S _下]/t-（∆H₂₀₂ _下+...+∆H_20[2(t-1)] _下-∆H_20S _下）/t {s=2n,n=1,2,...}

∆H_20S _下=∆H_20Si+[∆H₂₀ _（ _S-1 _）下]/t-{∆H₂₀₂ _下+...+∆H_20[2(t-1)] _下-∆H₂₀ _（ _S-1 _）下}/t {s=2n+1,n=1,2,...}

同理同一监测点20S不同层面位置20S和20(S-1)变形情况∆H_20S20(S-1)=∆H_20S _下-∆H_20(S-1) _下,根据∆H_20S20(S-1)的值就可获得监测点20S、监测点20(S-1)二者变形的同步性，差值越大反应出变形的同步性越差。在此实施方法中，t=4，共有七个监测点。带入公式即可得到变形的同步性。

实施方式 4 ：在实施方式3情形下增加第五钵体23，装置由第一钵体19、第二钵体20、第三钵体21、第四钵体22和第五钵体23构成连通器，第一钵体19为基准监测点，第二钵体20、第三钵体21、第四钵体22和第五钵体23作为实时变形监测之目的，在实施方法3的基础上增加了第八监测点208、第九监测点209，同时计算公式中增加了第八监测点208、第九监测点209的下降部分。在此实施方法中，t=5,共有九个监测点。

实施方式 5 ：在实施方式4情形下增加第六钵体24，装置由第一钵体19、第二钵体20、第三钵体21、第四钵体22、第五钵体23和第六钵体24构成连通器，第一钵体19为基准监测点，第二钵体20、第三钵体21、第四钵体22、第五钵体23和第六钵体24作为实时变形监测之目的，在实施方法4的基础上增加了第十监测点2010、第十一监测点2011，同时计算公式中增加了第十监测点2010、第十一监测点2011的下降部分。在此实施方法中，t=6,共有十一个监测点。

实施方式 6 ：在实施方式5情形下增加第七钵体25，装置由第一钵体19、第二钵体20、第三钵体21、第四钵体22、第五钵体23、第六钵体24和第七钵体25构成连通器，第一钵体19为基准监测点，第二钵体20、第三钵体21、第四钵体22、第五钵体23、第六钵体24和第七钵体25作为实时变形监测之目的，在实施方法5的基础上增加了第十二监测点2012、第十三监测点2013，同时计算公式中增加了第十二监测点2012、第十三监测点2013的下降部分。在此实施方法中，t=7,共有十三个监测点。

实施方式 7 ：在实施方式6情形下增加第八钵体26，装置由第一钵体19、第二钵体20、第三钵体21、第四钵体22、第五钵体23、第六钵体24、第七钵体25和第八钵体26构成连通器，第一钵体19为基准监测点，第二钵体20、第三钵体21、第四钵体22、第五钵体23、第六钵体24、第七钵体25和第八钵体26作为实时变形监测之目的，在实施方法6的基础上增加了第十四监测点2014、第十五监测点2015，同时计算公式中增加了第十四监测点2014、第十五监测点2015的下降部分。在此实施方法中，t=8,共有十五个监测点。

Claims

1.一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置，其特征在于本装置由第一液位传感器1、第一浮球2、第一浮磁环3、惰性水4、管路5、第一微变形传感器6、第二液位传感器7、第二浮球8、第二浮磁环9、第三液位传感器10、第三浮球11、第三浮磁环12、第二微变形传感器13、数据采集器14、连接线15、第一盖16、第二盖17、第三盖18、第一钵体19、第二钵体20、第三钵体21、计算机22、数据通讯线23组成，而且三个钵体的结构相同；其第一钵体19放置于一不受第二钵体20和第三钵体21变形因数影响的监测位置第一监测点201处作为变形参考点即测量基准点，各钵体之间通过管路5组成三钵体连通器，并通过第一液位传感器1反映测量基准点基准值；第二钵体20放置于第二监测点202用于监测第二监测点202高程位置变化和反映第二监测点202同一变形性质但位置为不同层面的第三监测点203的高程位置变化情况，通过第二液位传感器7反映的液位情况与第一液位传感器1反映测量基准点基准值的变化情况计算出第二监测点202高程位置变化，通过第一微变形传感器6反映的变形情况与第二监测点202高程位置变化情况计算出第二监测点202同一变形性质但位置为不同层面的第三监测点203的高程位置变化情况；第三钵体21放置于第四监测点204处用于监测第四监测点204高程位置变化和反映第四监测点204同一变形性质但位置为不同层面的第五监测点205的高程位置变化情况，通过第三液位传感器10反映的液位情况与第一液位传感器1反映测量基准点基准值的变化情况计算出第四监测点204高程位置变化，通过第二微变形传感器13反映的变形情况与第四监测点204高程位置变化情况计算出第四监测点204同一变形性质但位置为不同层面的第五监测点205的高程位置变化情况；第一钵体19、第二钵体20、第三钵体21均盛有不蒸发、不反应和在零下摄氏30度到零上摄氏40度范围内热胀冷缩性一致惰性水，底部通过管路5连接，保证第一钵体19、第二钵体20、第三钵体21水位永远一致；第一液位传感器1、第一微变形传感器6、第二液位传感器7、第三液位传感器10、第二微变形传感器13通过连接线15与数据采集器14连接实现给各传感器的供电和数据传输，并由数据采集器14和计算机22实现各变形监测点的监测和监控。

2.权利要求1所述一种测量监测点不同层面高程位置变化的装置的应用方法，其特征在于：

Ⅱ然后开启计算机22，待数据采集器14通入电流，第一液位传感器1、第一微变形传感器6、第二液位传感器7、第三液位传感器10、第二微变形传感器13开始测试运行状态，当第二监测点202、第三监测点203、第四监测点204、第五监测点205发生变形时，满足第一液位传感器1显示值稳定可靠时，通过第一微变形传感器6、第二液位传感器7、第三液位传感器10、第二微变形传感器13就可以将变形实时值准确的反映在计算机22，并与设定的报警值比较，超过设定的报警值就启动报警，通过第二监测点202与第三监测点203变形同步比较得出同一监测点202不同层面位置202和203变形情况，并通过第四监测点204与第五监测点205变形同步比较得出同一监测点204不同层面位置204和205变形情况；