CN114689016A - 一种地质环境监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地质环境监测装置，包括机架、激光组件、施压组件、反射组件和测量组件；反射组件、机架和测量组件排成一线，反射组件和测量组件分别位于机架两侧；反射组件包括反射支架和安装在反射支架上的反射板，测量组件包括测量支架和安装在测量支架上的测量板，测量板的表面设置有刻度；激光组件安装在机架上，激光组件射出的激光经过反射板反射至测量板上；施压组件安装在机架上并对机架施加向下的压力，压力使得机架所在的土地加速沉降；当机架随着地面沉降之后，激光组件经过反射板反射至测量板上的光点也会发生位置变化，通过光点的位置变量可以计算出地面的下降量，整个测量操作方便且误差小。

Description

一种地质环境监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及地质设备领域，尤其涉及一种地质环境监测装置及其监测方法。

背景技术

在地质环境勘测中涉及地面沉降的监测，现有技术的监测方法主要有两种：第一种是采用水准仪长期跟踪测量对应地区的高程，然后计算出该地区的沉降；第二种是在该地区施工，布置深埋至地下的标桩，通过标桩长期观察得到该地区的沉降。这两种测量方法都需要长期跟进，非常耗时；而且测量的灵敏度不高，在沉降量较小的时候，误差比较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种地质环境监测装置及其监测方法，利用光学手段对特定地区的沉降进行视距测量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种地质环境监测装置，包括机架、激光组件、施压组件、反射组件和测量组件；

所述反射组件、机架和测量组件排成一线，反射组件和测量组件分别位于机架两侧；所述反射组件包括反射支架和安装在反射支架上的反射板，所述测量组件包括测量支架和安装在测量支架上的测量板，测量板的表面设置有刻度；

所述激光组件安装在机架上，激光组件射出的激光经过反射板反射至测量板上；所述施压组件安装在机架上并对机架施加向下的压力，压力使得机架所在的土地加速沉降；当机架随着地面沉降之后，激光组件经过反射板反射至测量板上的光点也会发生位置变化，通过光点的位置变量可以计算出机架的下降量；激光组件、反射板和测量板的配合可以将机架的下降量(也就是土地的沉降量)放大，方便测量并减少测量误差。

具体的，所述施压组件包括安装座、浮动架、偏心件、驱动组件、活塞杆和活塞缸，所述安装座安装在机架上，安装座的表面设置有竖直的导向槽，所述浮动架的表面设置有竖直的导向轨，导向轨位于导向槽内，偏心件安装在浮动架上，驱动组件驱动偏心件旋转；所述浮动架连接活塞杆，活塞杆的一端设置活塞并***活塞缸内，活塞缸安装在机架上；当偏心件旋转时，偏心件驱动浮动架和活塞杆周期性的上行和下行，在活塞杆下行的过程中，活塞压缩活塞缸内的空气，使得活塞缸内的气压增大，从而对机架施加向下的压力；安装座、浮动架、偏心件、活塞杆和活塞缸构成一组施压单元，一般情况下，一个施压组件内会配置多组施压单元，所有施压单元内的偏心件同步旋转，使得机架获得足够的向下的压力。

对于本发明的施压组件而言，活塞杆是随着偏心件的旋转而周期性的上升和下降，这其中只有活塞杆下降时机架才会受到向下的压力，为了增加这一压力，本发明还包括气动***，所述气动***包括气泵、高压罐和阀组，所述气泵连通高压罐，高压罐通过阀组连通至活塞缸，所述阀组包括二位三通阀和泄压阀，二位三通阀的三个阀口分别连通高压罐、活塞缸和泄压阀；气动***的工作原理是：在活塞杆上行时，二位三通阀切换使得高压罐与活塞缸连通，高压罐用于增加活塞缸内的气压，使得机架在活塞杆上行的过程中依然能受到向下的压力；在活塞杆下行时，二位三通阀切换使得泄压阀与活塞缸连通，泄压阀用于控制活塞缸内的气压不超过极限值，避免活塞缸内气压过高导致活塞杆无法正常下行；气泵用于适时向高压罐内补充气体，保持高压罐内的气压在设定范围内。

具体的，所述气动***还包括阀板和底板，阀板的底部设置有气路槽，阀板盖在底板上，底板固定在机架上，阀组通过气路槽与活塞缸连通。

进一步的，所述驱动组件包括电机、皮带和皮带轮，电机的转轴和偏心件上均安装皮带轮，皮带连接所有的皮带轮。

进一步的，所述机架设置有水平槽，所述安装座位于水平槽内，安装座在水平槽内可以平移，方便用户调整每一组施压单元的具***置。

进一步的，所述反射组件还包括第一反射行星架、第二反射行星架、第一反射轴、第二反射轴和反射配重块；所述第一反射行星架安装在反射支架上，第二反射行星架通过第一反射轴与第一反射行星架枢轴连接，第二反射轴安装在第二反射行星架内，第二反射轴与第一反射轴处于同一水平面并且彼此垂直，反射板和反射配重块均安装在第二反射轴上；两个反射行星架的配合可以使得第二反射轴整体上能够自由旋转，进而在反射配重块的作用下使得反射板始终保持竖直姿态，无需用户额外调整。

出于同样的目的，本发明对测量板作了相同的设计，具体是：所述测量组件还包括第一测量行星架、第二测量行星架、第一测量轴、第二测量轴和测量配重块；所述第一测量行星架安装在测量支架上，第二测量行星架通过第一测量轴与第一测量行星架枢轴连接，第二测量轴安装在第二测量行星架内，第二测量轴与第一测量轴处于同一水平面并且彼此垂直，测量板和测量配重块均安装在第二测量轴上。

进一步的，所述激光组件包括安装基板、球头杆、球头座、激光器和锁定螺栓，球头杆固定在安装基板上，安装基板固定在机架上，球头座和球头杆连接，激光器固定在球头座上，锁定螺栓安装在球头座上；球头座和球头杆的连接结构决定了激光器本身能够自由调节射角；本发明的监测装置在应用时激光器的射角需要随着机架的下降而对应调整，确保反射板上的光电始终处于同一位置。

本发明还提供了一种应用上述地质环境监测装置的监测方法，包括如下步骤：

步骤1：将反射组件、机架和测量组件排成一线，反射组件和测量组件分别位于机架两侧；

步骤2：激光组件射出的激光经过反射板反射至测量板上；

步骤3：启动施压组件，旋转的偏心件对机架周期性的施加向下的压力，使得机架加速下沉并得到机架处的土地下沉量为

其中：

a为机架处的土地下沉量；

b为反射板与激光组件的水平距离；

c为反射板与测量板的水平距离；

d为激光点在测量板上的竖直位移量；

步骤4：在活塞杆的上行周期中，高压罐向活塞缸内充气。

有益效果：(1)本发明的地质环境监测装置利用施压组件模拟土地的加速沉降，通过激光组件、反射组件和测量组件放大土地的具体沉降量，实现了地质沉降的快速精确监测。(2)本发明的地质环境监测装置采用气动***配合偏心件驱动活塞杆，使得活塞缸内的气压不会随着活塞杆的上行而急剧降低，进而使得机架几乎全程都受到向下的压力，促进土地沉降。(3)本发明的地质环境监测装置为反射组件和测量组件配置了多个行星架和配重块，使得反射板和测量板始终保持竖直姿态，无需人工调整。(4)本发明的地质环境监测装置在机架内设置水平槽，安装座在水平槽内可以平移，方便用户调整每一组施压单元的具***置。

附图说明

图1是实施例1地质环境监测装置的立体图。

图2是实施例1中施压组件和机架的立体图。

图3是实施例1中施压组件的立体图。

图4是图3的另一个视角并拆分阀板和底板。

图5是实施例1中反射组件的立体图。

图6是实施例1中测量组件的立体图。

图7是实施例1中激光组件的立体图。

图8是实施例1地质环境监测装置的主视图。

图9是激光路线图。

其中：100、机架；110、水平槽；200、激光组件；210、安装基板；220、球头杆；230、球头座；240、激光器；250、锁定螺栓；300、施压组件；310、安装座；320、浮动架；330、偏心件；340、驱动组件；341、电机；342、皮带；343、皮带轮；350、活塞杆；360、活塞缸；400、反射组件；410、反射支架；420、反射板；430、第一反射行星架；440、第二反射行星架；450、第一反射轴；460、第二反射轴；470、反射配重块；500、测量组件；510、测量支架；520、测量板；530、第一测量行星架；540、第二测量行星架；550、第一测量轴；560、第二测量轴；570、测量配重块；600、气动***；610、气泵；620、高压罐；630、阀组；640、阀板；641、气路槽；650、底板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的地质环境监测装置包括机架100、激光组件200、施压组件300、反射组件400、测量组件500和气动***600；

反射组件400、机架100和测量组件500排成一线，反射组件400和测量组件500分别位于机架100两侧；如图2和图3所示，施压组件300包括安装座310、浮动架320、偏心件330、驱动组件340、活塞杆350和活塞缸360，机架100设置有水平槽110，安装座310位于水平槽110内，安装座310的表面设置有竖直的导向槽，浮动架320的表面设置有竖直的导向轨，导向轨位于导向槽内，偏心件330安装在浮动架320上，驱动组件340包括电机341、皮带342和皮带轮343，电机341的转轴和偏心件330上均安装皮带轮343，皮带342连接所有的皮带轮343，整个驱动组件340驱动偏心件330旋转；浮动架320连接活塞杆350，活塞杆350的一端设置活塞并***活塞缸360内；安装座310、浮动架320、偏心件330、活塞杆350和活塞缸360构成一组施压单元，本实施例一共配置4组施压单元，所有施压单元内的偏心件330同步旋转；

如图3和图4所示，气动***600包括气泵610、高压罐620、阀组630、阀板640和底板650，气泵610连通高压罐620，高压罐620通过阀组630连通至活塞缸360，阀组630包括二位三通阀和泄压阀，二位三通阀的三个阀口分别连通高压罐620、活塞缸360和泄压阀，阀板640的底部设置有气路槽641，阀板640盖在底板650上，底板650固定在机架100上，阀组630中的二位三通阀通过气路槽641与活塞缸360连通；

如图5所示，反射组件400包括反射支架410、反射板420、第一反射行星架430、第二反射行星架440、第一反射轴450、第二反射轴460和反射配重块470；第一反射行星架430安装在反射支架410上，第二反射行星架440通过第一反射轴450与第一反射行星架430枢轴连接，第二反射轴460安装在第二反射行星架440内，第二反射轴460与第一反射轴450处于同一水平面并且彼此垂直，反射板420和反射配重块470均安装在第二反射轴460上；两个反射行星架的配合可以使得第二反射轴460整体上能够自由旋转，进而在反射配重块470的作用下使得反射板420始终保持竖直姿态，无需用户额外调整；

如图6所示，测量组件500包括测量支架510、测量板520、第一测量行星架530、第二测量行星架540、第一测量轴550、第二测量轴560和测量配重块570；第一测量行星架530安装在测量支架510上，第二测量行星架540通过第一测量轴550与第一测量行星架530枢轴连接，第二测量轴560安装在第二测量行星架540内，第二测量轴560与第一测量轴550处于同一水平面并且彼此垂直，测量板520和测量配重块570均安装在第二测量轴560上，测量板520的表面设置有刻度；

如图2和图7所示，激光组件200包括安装基板210、球头杆220、球头座230、激光器240和锁定螺栓250，球头杆220固定在安装基板210上，安装基板210固定在机架100上，球头座230和球头杆220连接，激光器240固定在球头座230上，锁定螺栓250安装在球头座230上；球头座230和球头杆220的连接结构决定了激光器240本身能够自由调节射角；

本实施例的地质环境监测装置用于监测土地下沉，具体工作原理是：

(1)如图1和图8所示，将反射组件400、机架100和测量组件500排成一线，反射组件400和测量组件500分别位于机架100两侧；

(2)启动激光组件200中的激光器240，激光组件200射出的激光经过反射板420反射至测量板520上；

(3)图2所示的驱动组件340驱动偏心件330旋转，偏心件330驱动浮动架320和活塞杆350周期性的上行和下行，在活塞杆350下行的过程中，活塞压缩活塞缸360内的空气，使得活塞缸360内的气压增大，从而对机架100施加向下的压力，促进土地下沉；

(4)在一段时间之后，停止偏心件330旋转，调节激光器240的激光射角，使得反射板420表面的激光点位与步骤(2)中的激光点位一致；

(5)依据如下公式计算机架100处的土地下沉量

其中：

a为机架100处的土地下沉量；

b为反射板420与激光组件200的水平距离；

c为反射板420与测量板520的水平距离；

d为激光点在测量板520上的竖直位移量。

本实施例中的气动***600用于辅助施压组件300，具体工作原理是：在活塞杆350上行时，二位三通阀切换使得高压罐620与活塞缸360连通，高压罐620用于增加活塞缸360内的气压，使得机架100在活塞杆350上行的过程中依然能受到向下的压力；在活塞杆350下行时，二位三通阀切换使得泄压阀与活塞缸360连通，泄压阀用于控制活塞缸360内的气压不超过极限值，避免活塞缸360内气压过高导致活塞杆350无法正常下行。

图9所示的是本实施例中激光的路线图，A点为反射板420表面激光点位，D点为激光器240的初始点位，E点为土地经过加速下沉之后激光器240的点位，N和M均为测量板520表面的激光点位；可以得知：MN是可以直接读取的激光点在测量板520上的竖直位移量，DE则是需要获得的机架100处的土地下沉量；

由于△ADE∽△ANM，所以

由于△AEB∽△AMC，所以

综合公式一和公式二可得

其中，

DE为机架100处的土地下沉量；

AB为反射板420与激光组件200的水平距离；

AC为反射板420与测量板520的水平距离；

MN为激光点在测量板520上的竖直位移量。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种地质环境监测装置，其特征在于：包括机架(100)、激光组件(200)、施压组件(300)、反射组件(400)和测量组件(500)；

所述反射组件(400)、机架(100)和测量组件(500)排成一线，反射组件(400)和测量组件(500)分别位于机架(100)两侧；所述反射组件(400)包括反射支架(410)和安装在反射支架(410)上的反射板(420)，所述测量组件(500)包括测量支架(510)和安装在测量支架(510)上的测量板(520)；

所述激光组件(200)安装在机架(100)上，激光组件(200)射出的激光经过反射板(420)反射至测量板(520)上；所述施压组件(300)安装在机架(100)上并对机架(100)施加向下的压力。

2.根据权利要求1所述的地质环境监测装置，其特征在于：所述施压组件(300)包括安装座(310)、浮动架(320)、偏心件(330)、驱动组件(340)、活塞杆(350)和活塞缸(360)，所述安装座(310)安装在机架(100)上，安装座(310)的表面设置有竖直的导向槽，所述浮动架(320)的表面设置有竖直的导向轨，导向轨位于导向槽内，偏心件(330)安装在浮动架(320)上，驱动组件(340)驱动偏心件(330)旋转；所述浮动架(320)连接活塞杆(350)，活塞杆(350)的一端设置活塞并***活塞缸(360)内，活塞缸(360)安装在机架(100)上。

3.根据权利要求2所述的地质环境监测装置，其特征在于：还包括气动***(600)，所述气动***(600)包括气泵(610)、高压罐(620)和阀组(630)，所述气泵(610)连通高压罐(620)，高压罐(620)通过阀组(630)连通至活塞缸(360)，所述阀组(630)包括二位三通阀和泄压阀，二位三通阀的三个阀口分别连通高压罐(620)、活塞缸(360)和泄压阀。

4.根据权利要求3所述的地质环境监测装置，其特征在于：所述气动***(600)还包括阀板(640)和底板(650)，阀板(640)的底部设置有气路槽(641)，阀板(640)盖在底板(650)上，底板(650)固定在机架(100)上，阀组(630)通过气路槽(641)与活塞缸(360)连通。

5.根据权利要求4所述的地质环境监测装置，其特征在于：所述驱动组件(340)包括电机(341)、皮带(342)和皮带轮(343)，电机(341)的转轴和偏心件(330)上均安装皮带轮(343)，皮带(342)连接所有的皮带轮(343)。

6.根据权利要求5所述的地质环境监测装置，其特征在于：所述机架(100)设置有水平槽(110)，所述安装座(310)位于水平槽(110)内。

7.根据权利要求6所述的地质环境监测装置，其特征在于：所述反射组件(400)还包括第一反射行星架(430)、第二反射行星架(440)、第一反射轴(450)、第二反射轴(460)和反射配重块(470)；所述第一反射行星架(430)安装在反射支架(410)上，第二反射行星架(440)通过第一反射轴(450)与第一反射行星架(430)枢轴连接，第二反射轴(460)安装在第二反射行星架(440)内，第二反射轴(460)与第一反射轴(450)处于同一水平面并且彼此垂直，反射板(420)和反射配重块(470)均安装在第二反射轴(460)上。

8.根据权利要求7所述的地质环境监测装置，其特征在于：所述测量组件(500)还包括第一测量行星架(530)、第二测量行星架(540)、第一测量轴(550)、第二测量轴(560)和测量配重块(570)；所述第一测量行星架(530)安装在测量支架(510)上，第二测量行星架(540)通过第一测量轴(550)与第一测量行星架(530)枢轴连接，第二测量轴(560)安装在第二测量行星架(540)内，第二测量轴(560)与第一测量轴(550)处于同一水平面并且彼此垂直，测量板(520)和测量配重块(570)均安装在第二测量轴(560)上。

9.根据权利要求8所述的地质环境监测装置，其特征在于：所述激光组件(200)包括安装基板(210)、球头杆(220)、球头座(230)、激光器(240)和锁定螺栓(250)，球头杆(220)固定在安装基板(210)上，安装基板(210)固定在机架(100)上，球头座(230)和球头杆(220)连接，激光器(240)固定在球头座(230)上，锁定螺栓(250)安装在球头座(230)上。

10.一种如权利要求9所述的地质环境监测装置的监测方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：将反射组件(400)、机架(100)和测量组件(500)排成一线，反射组件(400)和测量组件(500)分别位于机架(100)两侧；

步骤2：激光组件(200)射出的激光经过反射板(420)反射至测量板(520)上；

步骤3：启动施压组件(300)，旋转的偏心件(330)对机架(100)周期性的施加向下的压力，使得机架(100)加速下沉并得到机架(100)处的土地下沉量为

其中：

a为机架(100)处的土地下沉量；

b为反射板(420)与激光组件(200)的水平距离；

c为反射板(420)与测量板(520)的水平距离；

d为激光点在测量板(520)上的竖直位移量；

步骤4：在活塞杆(350)的上行周期中，高压罐(620)向活塞缸(360)内充气。

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