CN112556613A - 一种基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***，包括布设于隧道衬砌内壁的超声波雷达、安装于超声波雷达外表面的带网孔金属罩、位于超声波发射范围内的至少一个声波定位装置，所述超声波雷达包括三个传感器探头、控制模块，所述控制模块与所述三个传感器探头分别连接；所述声波定位装置包括至少一个反射镜片。本发明还公开了一种基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测方法。本发明基于超声波进行监测，不受隧道内恶劣工作环境和光线程度的影响，在保证监测精度的同时，可保障监测工作的长期开展，一台超声波雷达可配合多个监测断面上的多个声波定位装置使用，有效降低监测成本。

Description

一种基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***及方法
技术领域
本发明属于隧道工程监测技术领域，更具体地，涉及一种基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***及方法。
背景技术
隧道在运营阶段会受到各种结构病害的影响，如果不加以监测和控制，不仅会造成经济损失，严重的甚至会带来生命财产损失。其中，隧道结构收敛变形是最直观的风险表现类型，也是结构病害发生、发展的来源之一。因此，对结构收敛变形的监测是隧道健康运营的重点关注内容之一。
常规的隧道收敛变形监测方法主要有点式直接测量法、全站仪测量法、三维激光扫描技术。对于密闭型隧道而言，采用上述收敛变形监测方法，首先要求测量环境粉尘含量低和隧道内照明质量好，否则测量精度难以保证；其次，若想完成对隧道结构收敛变形的全面反映，需间隔性地密集布设大量监测断面，现有方法虽在技术上可行，但需要大量人工成本；最后，由于对隧道收敛变形的监测是一个长期、稳定的过程，而目前的监测方法中点式直接测量法、全站仪测量法均难以做到长期性监测，激光扫描方法由于受隧道内环境影响大，难以做到持续稳定地准确测量。由此可见，关于隧道收敛变形的长期监测，目前的方法仍有一定的局限性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种可实时、不受干扰地获取隧道结构的收敛变形情况的隧道结构收敛长期监测***及方法。
为了实现上述目的，按照本发明一个方面，提供一种基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***，包括布设于隧道衬砌内壁的超声波雷达、安装于所述超声波雷达外表面的带网孔金属罩、位于超声波发射范围内的至少一个声波定位装置；
所述超声波雷达包括至少一个传感器探头以及控制模块，所述传感器探头用于发射和接收超声波信号，所述控制模块，与所述传感器探头分别连接，用于控制所述传感器探头发射和接收超声波信号；
所述声波定位装置包括至少一个反射镜片，所述反射镜片与传感器探头相匹配设置，用于反射超声波信号；
所述超声波雷达包括超声波发射电路和超声波接收电路，超声波发射电路的输出端与所述传感器探头连接，该传感器探头与所述反射镜片之间双向光路连接，且所述传感器探头输出端与超声波接收电路连接，超声波接收电路的输出端与控制模块的输入端连接，而控制模块的输出端与超声波发射电路连接，共同构成闭合电路，所述控制模块控制传感器探头发射超声波，并接收被反射镜片反射回来的超声波，所述控制模块计时并处理获得隧道结构收敛变形结果。
进一步地，所述***还包括支撑底座，所述支撑底座布设于隧道衬砌内壁，所述超声波雷达安装于该支撑底座上。
进一步地，所述声波定位装置还包括工业海绵及粘贴胶片，所述反射镜片安装于该工业海绵表面，所述工业海绵通过粘贴胶片固定于隧道衬砌内壁。
进一步的，所述控制模块包括温度补偿单元。
进一步的，所述超声波雷达还包括LED显示屏，其与所述控制模块连接，用于显示隧道收敛变形结果。
进一步的，所述超声波雷达还包括WIFI信号接收器，其与所述控制模块连接，用于对隧道收敛变形结果进行远距离传输。
按照本发明另一个方面，还提供一种基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测方法，应用所述的基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***实现，包括如下步骤：
S100：对所监测的盾构隧道段进行现场勘察，根据监测等级确定相应的监测项目、监测断面与监测点；
S200：在隧道衬砌内壁监测断面布设超声波雷达，在超声波发射范围内布设声波定位装置；
S300：测试超声波雷达工作性能，确定超声波雷达能正常工作后，在超声波雷达表面安装带网孔金属罩；
S400：在超声波雷达中设定接收超声波信号的强度阈值，传感器探头向声波定位装置方向发射超声波，并接收达到强度阈值的反射波，控制模块根据超声波传输信息计算得到隧道结构收敛变形结果。
进一步地，步骤S200具体包括如下步骤：
S201.在步骤S100确定的监测断面中，根据监测断面间隔距离以及超声波雷达监测范围选取监测断面布设超声波雷达；
S202.在步骤S100确定的每个监测断面上布设声波定位装置。
进一步地，步骤S400具体包括如下步骤：
S401.在超声波雷达中设定接收超声波信号的强度阈值；
S402.传感器探头向声波定位装置方向发射超声波，接收达到强度阈值的反射波并计时，控制模块根据超声波发射到接收所经历的时间，结合声波传播速度转化成距离，得到传感器探头与反射镜片之间的距离；
S403.重复S402，得到传感器探头与反射镜片之间新的距离，计算两次距离之间的变化量即为隧道结构收敛变形结果。
进一步地，所述方法还包括：S500：控制模块将隧道结构收敛变形结果传输到LED显示屏进行显示，并通过WIFI信号将隧道结构收敛变形结果传输到远程终端设备。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明基于超声波进行监测，超声波防水、防尘，不受隧道内恶劣工作环境和光线程度的影响，在保证监测精度的同时，可保障监测工作的长期开展。且采用收发一体型超声波传感器，减少了隧道中的布线需求。
2.本发明在超声波雷达表面安装带网孔金属罩，可防止因隧道结构中衬砌剥落等恶劣环境导致超声波雷达损毁和监测不准确的情况发生，保证了超声波雷达监测的长期稳定性。
3.本发明将超声波雷达安装在支撑底座上，使其能够相对于隧道衬砌内壁固定不动，在隧道发生收敛变形过程中，超声波雷达能准确监测到隧道结构收敛变形情况。
4.本发明通过超声波雷达控制模块中设置的温度补偿电路，降低温度变化对超声波速度的影响，进而有效降低温度变化对监测结果的影响，提高了监测精度。
5.本发明一台超声波雷达可配合多个监测断面上的多个声波定位装置使用，且声波定位装置上可根据监测需要设置多个反射镜片作为监测点，有效降低了监测成本。
6.本发明提供的收敛变形监测方法，在求解过程不用考虑传感器探头与反射镜片的位置坐标与几何关系，因此相关监测的准备工作以及计算过程均非常方便简单。
7、本发明在声波定位装置中加入了吸波材料工业海绵，避免了不必要的超声波反射；并在超声波雷达中设定了接收超声波信号的强度阈值，避免了隧道衬砌内壁等其他障碍物反射超声波对反射镜片反射超声波造成的干扰和混淆，确保了检测的准确度。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***的布设示意图。
图2为本发明实施例超声波雷达的结构示意图。
图3为本发明实施例声波定位装置的结构示意图。
图4为本发明实施例超声波雷达的工作原理图。
图5为本发明实施例2建立的局部坐标系。
图6为本发明实施例一种基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测方法流程示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：
1.隧道衬砌、2.超声波雷达、3.支撑底座、4.带网孔金属罩、5.声波定位装置；
2-1.传感器探头、2-2.LED显示屏、2-3.WIFI信号接收器、2-4.电源、2-5.开关按钮、2-6.控制模块；
5-1.工业海绵、5-2.粘贴胶片、5-3.反射镜片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***，包括布设于隧道衬砌1内壁的支撑底座3、安装于支撑底座3上的超声波雷达2、安装于超声波雷达2外表面的带网孔金属罩4、位于超声波发射范围内的声波定位装置5，超声波雷达2发射超声波信号至隧道衬砌1后反馈并接收超声波信号，根据超声波信号处理获得隧道结构收敛变形结果，并通过声波定位装置5获取隧道结构收敛变形的位置信息，从而精确测量隧道结构收敛变形位置及变形数据，本发明基于超声波进行监测，超声波防水、防尘，不受隧道内恶劣工作环境和光线程度的影响，在保证监测精度的同时，可保障监测工作的长期开展。
如图2所示，在本发明一个实施例中，超声波雷达2包括至少一个传感器探头2-1、LED显示屏2-2、WIFI信号接收器2-3、电源2-4、开关按钮2-5以及控制模块2-6。所述传感器探头2-1、LED显示屏2-2、WIFI信号接收器2-3、电源2-4、开关按钮2-5分别与控制模块2-6连接。其中，传感器探头2-1，用于发射和接收超声波；LED显示屏2-2，用于显示隧道结构收敛变形结果；WIFI信号接收器2-3，用于对隧道结构收敛变形结果进行远距离传输；控制模块2-6，用于控制传感器探头发射和接收超声波，并根据超声波传输信息计算隧道结构收敛变形结果用于进行数据处理；控制模块包括温度补偿单元，用于降低温度变化对监测结果的影响；控制模块可以采用AT89C51及以上系列单片机。
如图3所示，在本发明一个实施例中，声波定位装置5包括工业海绵5-1、粘贴胶片5-2以及三个反射镜片5-3，所述反射镜片5-3安装于工业海绵5-1表面，用于反射超声波；所述工业海绵5-1通过粘贴胶片5-2固定于隧道衬砌1内壁。所述传感器探头2-1与所述反射镜片5-3的数量相匹配，优选地，如图2和图3所示，所述传感器探头2-1与所述反射镜片5-3的数量为三个，通过多点发射超声波信号、多点反射超声波信号，从而精确计算获得隧道结构变形位置坐标以及变形量数据，提高隧道结构变形监测。
本发明通过声波定位装置5上的反射镜片5-3与超声波雷达2上的传感器探头2-1配合使用，共同完成隧道结构收敛变形的长期监测。其工作原理是通过超声波雷达2上的三个传感器探头2-1发射和接收由声波定位装置5上的反射镜片5-3传来的超声波时间差的变化，经控制模块2-6处理，转化成位移变化，实时反映隧道结构的收敛变形情况，实现对隧道结构变形位置坐标及变形量的实时监测、数据传输、处理、分析、显示，不仅监测精度高、效率高，而且稳定、可靠。
如图4所示，超声波雷达底层包括超声波发射电路和超声波接收电路，超声波发射电路的输出端与传感器探头2-1连接，该传感器探头2-1优选为收发一体型超声波传感器探头，该收发一体型超声波传感器探头与所述反射镜片5-3之间双向光路连接，且收发一体型超声波传感器探头的输出端与超声波接收电路连接，超声波接收电路的输出端与控制模块的输入端连接，而控制模块的输出端与超声波发射电路连接，共同构成闭合电路。如图5所示，通过控制模块2-6控制收发一体型超声波传感器探头2-1发射超声波，并接收被反射镜片5-3后反射回来的超声波，控制模块2-6计时并计算收敛变形监测结果。另外，优选地，控制模块2-6分别与LED显示电路、WIFI信号传输电路以及温度补偿电路连接，分别用于实现对计算数据的显示、超声波信号的无线传输。此外，还可通过温度补偿电路降低温度变化对监测结果的影响，尤其是寒冷冬季或炎热夏季外界温度对监测装置产生影响，通过该温度补偿电路，实现对控制模块2-6的温度自适应调节，保证其维持在正常工作温度环境条件下实现对隧道结构变形坐标及变形量的监测，并控制监测结果的LED显示及远距离传输。
实施例2
如图6所示，本发明的另一个实施例提供一种基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测方法，应用实施例1所述的基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***实现，包括如下步骤：
(1)对所监测的盾构隧道段进行现场勘察，根据监测等级确定相应的监测项目、监测断面与监测点。
(2)在上述监测断面中，根据监测断面间隔距离以及超声波雷达监测范围选取监测断面布设超声波雷达；在第(1)步所确定的每个监测断面上布设声波定位装置。
(3)测试超声波雷达2工作性能，确定超声波雷达2能正常工作后，在超声波雷达2外表面安装带网孔金属罩4，防止在长期监测过程中超声波雷达受到外界因素干扰。
(4)隧道结构收敛变形监测过程的实施。
在超声波雷达中设定接收超声波信号的强度阈值，即只对达到该强度阈值的声波信号进行计算，低于该强度阈值的声波信号将不被考虑。
超声波雷达2的三个传感器探头2-1分别向声波定位装置5方向发射超声波，在发射的同时启动计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物(包括隧道衬砌1内壁、声波定位装置5上的反射镜片5-3)就会立即反射回来，传感器探头接收到达到强度阈值的反射波后计时t，假定声波定位装置5有三个反射镜片5-3，则每个传感器探头会陆续收到三次达到强度阈值的反射波，分别计时t1、t2、t3。
控制模块2-6将超声波发射到接收所经历的时间t，结合声波传播速度转化成距离，可以得到传感器探头2-1的发射点与反射镜片5-3之间的距离L，计算公式如下：
L＝340×t/2
式中，L(m)为传感器探头的发射点与反射镜片5-3之间的距离；t(s)为超声波从发出到碰到障碍物后返回超声波探头处所经历的时间；340(m/s)为超声波在空气中传播的近似速度。
假设超声波雷达2上的三个传感器探头2-1分别为R1、R2、R3，探头R1、R2、R3接收由三个反射镜片S1、S2、S3反射的超声波，由上式计算可得探头R1、R2、R3至反射镜片S1的距离为LS1R1、LS1R2、LS1R3，按此原理，依次得到R1、R2、R3探头至反射镜片S2、S3的距离LS2R1、LS2R2、LS2R3，LS3R1、LS3R2、LS3R3。在下一次监测中重复上述操作，可得到探头R1、R2、R3至反射镜片S1、S2、S3的新的距离值，计算两次距离之间的变化量即为隧道结构收敛变形。具体计算求解过程由控制模块2-6执行，控制模块2-6可采用AT89C51及以上系列单片机。
因传感器探头有三个，至每个反射镜片的距离有三个值，计算出的收敛变形结果就有三个，从安全的角度出发取最大值即可。
(5)控制模块2-6将隧道结构收敛变形结果传输到LED显示屏2-2进行显示，并通过WIFI信号将隧道结构收敛变形结果传输到远程终端设备。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***，其特征在于，包括布设于隧道衬砌内壁的超声波雷达、安装于所述超声波雷达外表面的带网孔金属罩、位于超声波发射范围内的至少一个声波定位装置；
所述超声波雷达包括至少一个传感器探头以及控制模块，所述传感器探头用于发射和接收超声波信号，所述控制模块，与所述传感器探头分别连接，用于控制所述传感器探头发射和接收超声波信号；
所述声波定位装置包括至少一个反射镜片，所述反射镜片与传感器探头相匹配设置，用于反射超声波信号；
所述超声波雷达包括超声波发射电路和超声波接收电路，超声波发射电路的输出端与所述传感器探头连接，该传感器探头与所述反射镜片之间双向光路连接，且所述传感器探头输出端与超声波接收电路连接，超声波接收电路的输出端与控制模块的输入端连接，而控制模块的输出端与超声波发射电路连接，共同构成闭合电路，所述控制模块控制传感器探头发射超声波，并接收被反射镜片反射回来的超声波，所述控制模块计时并处理获得隧道结构收敛变形结果。
2.根据权利要求1所述的基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***，其特征在于，所述***还包括支撑底座，所述支撑底座布设于隧道衬砌内壁，所述超声波雷达安装于该支撑底座上。
3.根据权利要求1所述的基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***，其特征在于，所述声波定位装置还包括工业海绵及粘贴胶片，所述反射镜片安装于该工业海绵表面，所述工业海绵通过粘贴胶片固定于隧道衬砌内壁。
4.根据权利要求1所述的基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***，其特征在于，所述控制模块包括温度补偿单元。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***，其特征在于，所述超声波雷达还包括LED显示屏，其与所述控制模块连接，用于显示隧道收敛变形结果。
6.根据权利要求5所述的基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***，其特征在于，所述超声波雷达还包括WIFI信号接收器，其与所述控制模块连接，用于对隧道收敛变形结果进行远距离传输。
7.一种基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测方法，其特征在于，应用如权利要求1-6中任一项所述的基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测***实现，包括如下步骤：
S100：对所监测的盾构隧道段进行现场勘察，根据监测等级确定相应的监测项目、监测断面与监测点；
S200：在隧道衬砌内壁监测断面布设超声波雷达，在超声波发射范围内布设声波定位装置；
S300：测试超声波雷达工作性能，确定超声波雷达能正常工作后，在超声波雷达表面安装带网孔金属罩；
S400：在超声波雷达中设定接收超声波信号的强度阈值，传感器探头向声波定位装置方向发射超声波，并接收达到强度阈值的反射波，控制模块根据超声波传输信息计算得到隧道结构收敛变形结果。
8.根据权利要求7所述的基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测方法，其特征在于，步骤S200具体包括如下步骤：
S201.在步骤S100确定的监测断面中，根据监测断面间隔距离以及超声波雷达监测范围选取监测断面布设超声波雷达；
S202.在步骤S100确定的每个监测断面上布设声波定位装置。
9.根据权利要求7所述的基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测方法，其特征在于，步骤S400具体包括如下步骤：
S401.在超声波雷达中设定接收超声波信号的强度阈值；
S402.传感器探头向声波定位装置方向发射超声波，接收达到强度阈值的反射波并计时，控制模块根据超声波发射到接收所经历的时间，结合声波传播速度转化成距离，得到传感器探头与反射镜片之间的距离；
S403.重复S402，得到传感器探头与反射镜片之间新的距离，计算两次距离之间的变化量即为隧道结构收敛变形结果。
10.根据权利要求7所述的基于超声波雷达的隧道结构收敛变形监测方法，其特征在于，所述方法还包括：S500：控制模块将隧道结构收敛变形结果传输到LED显示屏进行显示，并通过WIFI信号将隧道结构收敛变形结果传输到远程终端设备。
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