CN102322829A - 基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，超声波发射装置和超声波接收装置的发射区域和接收区域有重叠部分，发射区域和接收区域的重叠部分在结构表面的投影区域即为监测区；比较不同次操作所得到的超声波发射、接收的时间差是否有变化：有变化，则发生了形变；无变化，则未发生形变。本发明的有益技术效果是：利用超声波在波束角范围内其发射、接收区域呈现发散形态的特点，实现对大区域的覆盖性监测，避免现有技术中的单个监测区为点状区域的弊端，装置结构简单，成本低，避免了点状式监测需要大量布置测点的缺点，降低了监测设备的成本，受环境因素限制小，可对围压空间结构进行高效全面监测。

Description

基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法

技术领域

    本发明涉及一种结构形变监测技术，尤其涉及一种基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法。

背景技术

随着人类社会可开发土地资源的日益稀缺，以及近年来全球范围极端气候的频繁出现，潜力巨大的城市地下空间开发凸显出前所未有的必要性和紧迫性。构建多层次、多功能的地下交通、防务、商贸、办公、休闲以及避难场所，已引起世界各国的共同关注并付诸规划实施。

相对地面空间开发而言，城市地下空间开发面临诸多问题，其中，地下工程运营期间的安全监测问题格外引人关注。我国防护工程及地下工程专家钱七虎、王梦恕等院士近年提出，地下工程的安全监测理论及技术迫切需要进行深入系统的研究，城市地下空间的安全建设已成为中国经济、社会和国家安全的重大需求。由于地下工程身处复杂的岩土介质全方位包围中，而形变是结构对复杂内外受力环境的外观反应，因此对结构形变进行在线监测可以直观地反映结构安全状态。但地下空间在复杂环境下的围压态引出监测区域覆盖性难题，对目前的结构形变监测技术提出严峻挑战，国内外相关的理论及技术异常匮乏。探索以地下工程为代表的围压空间覆盖性形变监测技术因而具有重要的科学意义和迫切的现实需求。                  

相对于地表结构而言，地下结构监测所受的限制条件更为严苛，可用于地下结构监测的手段十分匮乏，而且这些仅有的手段中，大都只能实现点状测量，即形变监测区域为某一测量点，如果要扩展测量区域，需要大量布置测量装置，成本巨大，即使大量布置测量装置后，由于单个测量装置只能实现点式测量，点与点之间就成为了监测盲区；现有技术中有用激光进行移动、旋转扫描实现小区域覆盖性监测，但每次扫描也仅能得到单个监测点的监测信息，而且，若被监测区域面积达到平方米级，则监测效率显著下降，若监测区面积进一步增大，则不可能对监测区内的所有点都进行扫描，所以激光扫描并不能实现真正意义上的区域覆盖性监测，而且设备复杂，价格昂贵。

现有技术中，有将超声波作测距应用的方案，但并没有将其用于形变监测的方案，究其原因，主要是工程技术人员对超声波有“成见”：超声波传播具有发散性，测量区域无法精确到点，因此，几乎没有技术人员考虑将超声波作形变监测的应用。

发明内容

针对背景技术的问题，本发明提出了一种可对结构表面实现大区域覆盖性形变监测的方案，该方案为：设置超声波发射装置和超声波接收装置，超声波发射装置的发射区域为一圆锥曲面所围的区域，超声波接收装置的接收区域也为一圆锥曲面所围的区域，发射区域和接收区域有重叠部分，发射区域和接收区域的重叠部分在结构表面的投影区域即形成监测区，监测区覆盖了监测区范围内的结构表面上的所有点；单次操作中，发射超声波信号并接收对应的反射信号，得到发射时刻和接收时刻的时间差；比较不同次操作所得到的时间差是否有变化：有变化，则监测区范围内的结构表面发生了形变；无变化，则监测区范围内的结构表面未发生形变；从而实现对监测区范围内的结构表面上的所有点的覆盖性监测。

该方案还可细化为如下的具体操作步骤：1）间歇性地向结构表面发射超声波并接收对应的反馈信号，2）记录超声波的发射时刻和对应的反馈信号的接收时刻，得到两个时刻的时间差；3）以第一次发射、接收操作完成后获得的数据为原始数据，后续单次发射、接收操作完成后获得的数据为监测数据，4）将单次监测数据与原始数据进行比对，若两个数据相同，则监测区范围内的结构表面没有发生形变；若两个数据不同，则监测区范围内的结构表面发生了形变；

超声波发射装置和超声波接收装置的设置方式有如下两种可选方案：或者二者间隔一定距离设置，或者二者位置重合设置。这两种设置方式各有利弊，后文将详细阐述。

更进一步地，可调整装置参数，使发射装置和接收装置的波束角相同，且发射方向和接收方向在同一平面内互相平行，有利于降低数据处理的复杂度。

本发明的超声波发射装置和超声波接收装置可一一对应地设置为一个测量单元，对单个监测区域实现区域覆盖性监测，也可将多个测量单元成阵列设置，实现更大范围内的区域覆盖性监测。 

更进一步地，步骤2）中，得到发射时刻和接收时刻的时间差后，采用超声波测距原理，将时间差乘以超声波速换算成距离数据，在换算出距离数据的基础上，本发明可作更为深入的应用。

当本发明作前述的“多个测量单元成阵列设置”的应用时，为实现对空间有效监测区域范围的划定，需要确定出单个测量单元的监测区范围，单个测量单元的监测区范围由如下方法确定：

发射装置和接收装置间隔一定距离设置时，设T点为发射装置所在位置，R点为接收装置所在位置；O点为T点和R点之间连线的中点；以O点为坐标原点建立坐标系，过O点且平行于发射/接收方向的直线为Z轴，过T点和R点的直线为Y轴，过O点且垂直于Z轴和Y轴的直线为X轴，则根据如下方法确定监测区的范围：

若结构表面的平面方程为nx+my+p(z-L)=0，则监测区为如下函数所对应的曲线所围封闭区域：

其中，

、

、

为结构监测平面的法线向量；

为超声波波束角的半角度数；

、

、

为坐标数据；

为监测盲区在Z轴上的长度；

为第一次发射、接收操作所测量到的时间差所换算出的Z轴上O点到结构表面的距离；

若结构表面的平面方程未知，则监测区范围为如下函数所对应的曲线所围封闭区域： 

其中，

为第一次发射、接收操作所测量到的Z轴上O点到结构表面的距离。

由于本发明方法无法实现精确定位，而单个监测区的范围又相对较大，在发现结构异常形变后，需要对其进行更为精确的测量，这时就需要定位出需要精确测量的区域的大致范围，根据下式即可实现从监测区中定位出相对较小的区域，并对其进行精确测量：

若结构表面发生形变后，监测数据为D，D与原始数据的差值为

，则D和

具备线性关系，

，

其中，

为斜率，

为常量；

若

，则监测区范围内的形变最大点在监测区中心位置；

若，则监测区范围内的形变最大点在监测区边沿位置；

若，则监测区范围内的形变最大点在监测区的边沿和中心之间的位置；

为与被监测结构材质有关的可调参数。

本发明方案可扩展为结构形变监测报警装置，在完成步骤4）的操作后，若结构表面发生形变，则发出报警信息；但由于超声波的特性，在监测区边沿部位存在敏感死区，发生在监测区边沿的结构形变只有达到一定程度后才能被探测到；如果从强调结构安全性的思路出发，则不能直接采用现有的行业标准报警控制门限，需要制定更为保守的安全门限（即设定阈值

），根据下式确定设定阈值：

若结构表面发生形变，对应的监测数据为D，D与原始数据的差值为

，若

大于设定阈值

，

根据下式确定设定阈值：

其中，为设定阈值，

为国家行业标准形变量在一定时间段内的控制上限数值，

为与被监测结构材质有关的可调参数，

为第一次发射、接收操作所测量到的时间差所换算出的Z轴上O点到结构表面的距离，

为超声波波束角的半角度数。

本发明的有益技术效果是：利用超声波在波束角范围内其发射、接收区域呈现发散形态的特点，实现对大区域的覆盖性监测，避免现有技术中的单个监测区为点状区域的弊端，装置结构简单，成本低，避免了点状式监测需要大量布置测点的缺点，降低了监测设备的成本，受环境因素限制小，可对围压空间结构进行高效全面监测。 

附图说明

图1、超声波空间投射模型示意图；

图2、超声波波束角中心轮廓记忆测量面形变监测数据图；

图3、超声波波束角边沿轮廓记忆测量面形变监测数据图；

图4、超声波波束在ZOY平面的投影二维平面图；

图5、监测数据D和轮廓记忆测量面不同区域形变量的分布规律图；

图6、轮廓记忆测量面敏感死区位置示意图；

图7、轮廓记忆测量面敏感死区测量数据图一；

图8、轮廓记忆测量面敏感死区测量数据图二。

具体实施方式

超声波相比激光，虽然存在“具有发散性”的缺点，不适合作精确测量，但是，发明人反而认为这正好体现了超声波的优势，正是由于超声波的发散性，使得超声波波束可以覆盖更为广大的区域，而且超声波还具有可以在不同媒质中传播、对色彩、光线和电磁场不敏感的特点，能应用于黑暗、灰尘、烟雾以及强电磁干扰等恶劣环境（摄像、激光的光学镜头需要保证一定清洁度，而且还要进行电磁防护），另外，超声波对被监测结构的表面形状无要求，不受结构表面形状的限制，尤其适合用于地下围压空间的结构形变监测。

在前述的思路基础上，发明人考虑利用超声波发射时在波束角范围内其有效区域呈现发散形态的特点，使监测区面积大幅增加，超声波发射后被结构表面阻挡，在结构表面形成投影区，比较超声波发射和接收的时间差（形变引起结构表面位移，造成超声波传输路径的长度发生变化），即可得到结构是否发生形变的结论；虽然超声波无法实现精确定位，但结构体为整体结构，局部形变必然导致其周围的结构体也相应发生形变，因为形变监测的直接目的是为了判断是否有形变发生，反而不需要对结构表面进行精确定位；虽然现有技术的点状监测也能通过监测点的数据变化感应到周边区域的结构形变，但是，监测点的区域十分狭小，必须要结构形变刚好波及监测点所在区域的结构体才能监测到，显然，点状区域结构体被波及而发生形变的概率远远小于大面积区域被波及而发生形变的概率，从这个意义上讲，点状监测对微小形变的区域敏感度反而不如超声波大区域监测。

本发明的具体方案是：

设置超声波发射装置和超声波接收装置，超声波发射装置的发射区域为一圆锥曲面所围的区域，超声波接收装置的接收区域也为一圆锥曲面所围的区域，发射区域和接收区域有重叠部分，发射区域和接收区域的重叠部分在结构表面的投影区域即形成监测区，监测区覆盖了监测区范围内的结构表面上的所有点；单次操作中，发射超声波信号并接收对应的反射信号，得到发射时刻和接收时刻的时间差；比较不同次操作所得到的时间差是否有变化：有变化，则监测区范围内的结构表面发生了形变；无变化，则监测区范围内的结构表面未发生形变；从而实现对监测区范围内的结构表面上的所有点的覆盖性监测。

前述的方案已经可以满足形变监测的基本需求，解决了大区域覆盖监测时，现有技术需要大量布置测点的缺陷（即使高密度布置测点，仍然存在测点与测点之间的大量盲区的问题）；

由前面方案所得到的更为具体的操作步骤为：1）间歇性地向结构表面发射超声波并接收对应的反馈信号，2）记录超声波的发射时刻和对应的反馈信号的接收时刻，得到两个时刻的时间差；3）以第一次发射、接收操作完成后获得的数据为原始数据，后续单次发射、接收操作完成后获得的数据为监测数据，4）将单次监测数据与原始数据进行比对，若两个数据相同，则监测区范围内的结构表面没有发生形变；若两个数据不同，则监测区范围内的结构表面发生了形变；

在前面的方案基础上，发明人提出了更加优化的方案，发射装置和接收装置的设置方式可从如下两种设置方式中选取：或者二者间隔一定距离设置，或者二者位置重合设置；这两种装置设置方案可以带来的效果也不同。

发射装置和接收装置二者位置重合，可采用现有的超声波收、发一体探头实现，缩小装置体积，而且通过调整装置参数，使发射装置和接收装置的波束角相同，且发射方向和接收方向在同一平面内互相平行，则可以让后续的数据处理工作大大简化（超声波的发射区域和接收区域可等效为圆锥体形区域，通过参数调整后，可以使发射区域和接收区域各自对应的圆锥体形区域完全重合，极大的简化本发明在作后续深化应用时的数据处理时的计算）。

发射装置和接收装置间隔一定距离设置，虽然使数据处理相对复杂（与重合设置的方式相比），但避免了不同次监测周期间，超声波信号的相互干扰问题，缩短了监测周期间的必要间隔时间（若监测周期间间隔时间太短就会发生信号干扰的问题），可以使监测数据的分布更为连续、详尽。

本发明方案可作单区域监测，即一个发射装置和一个接收装置即形成一个测量单元，对单个监测区进行监测；还可将多个测量单元成阵列设置，实现更大范围内、甚至是三维空间内全方位的区域覆盖性监测，尤其适用于围压空间内的结构形变监测。

为实现对空间有效监测区域范围的划定，需要计算出各个监测单元的监测区域大小，其计算方法为：

发射装置和接收装置间隔一定距离设置时，参见图1，设T点为发射装置所在位置，R点为接收装置所在位置；O点为T点和R点之间连线的中点；以O点为坐标原点建立坐标系，过O点且平行于发射/接收方向（即发射/接收区域所等效出的圆锥体形的轴线）的直线为Z轴，过T点和R点的直线为Y轴，过O点且垂直于Z轴和Y轴的直线为X轴，则根据如下方法确定监测区的范围：

若结构表面的平面方程为nx+my+p(z-L)=0，则监测区为如下函数所对应的曲线所围封闭区域：

其中，

、

、

为结构监测平面的法线向量；

为超声波波束角的半角度数；

、

、

为坐标数据；

为监测盲区在Z轴上的长度；

为第一次发射、接收操作所测量到的时间差所换算出的Z轴上O点到结构表面的距离；

这种结构表面的平面方程已知的情形，可以通过调整发射、接收装置与结构表面的相对位置来获得。 

若结构表面的平面方程未知，则监测区范围为如下函数所对应的曲线所围封闭区域： 

其中，为第一次发射、接收操作所测量到的时间差所换算出的Z轴上O点到结构表面的距离。

这种结构表面的平面方程未知的情形，实际上是针对一些比较特殊的非平面的异形结构表面，我们将这种情况下得到的超声波反馈信号，近似成超声波被一垂直于发射/接收方向的平面所反射，但无论结构表面是何种形状，只要结构发生形变，均会对反射信号和发射信号的时间差造成影响，这也正好可以说明本发明可适用于任何形状的结构表面形变监测。

实验装置包括超声收发控制器、上位监控机、结构变形模拟塑料垫（用于模拟被监测结构表面）、超声波波束角坐标图（图上标注有刻度），按图1中位置关系架设实验装置，结构变形模拟塑料垫与坐标原点O相距160cm并且结构变形模拟塑料垫的中心区域正对超声收发控制器，按超声波波束角坐标图上的刻度对结构变形模拟塑料垫施加压力，得到结构变形模拟塑料垫在压力的作用下发生形变的实验数据图，见图2；

改变结构变形模拟塑料垫和超声收发控制器的相对位置，使结构变形模拟塑料垫的边沿区域与超声收发控制器相对（二者沿Z轴方向的距离不变，仍然为160cm），按超声波波束角坐标图上的刻度对结构变形模拟塑料垫施加压力，得到如图3所示的实验数据；

图2、3所示实验数据表明，无论在超声波波束角的中心区域或者边沿区域或者界于边沿与中心之间的区域，只要在波束角监测范围内的结构轮廓发生形变，超声波都能检测到。

前述方案的步骤2）中，仅获取到了发射时刻和接收时刻的时间差，未对其进行更深入的处理，但这已经可以满足判断是否发生形变的基本需要，隐含的优点是计算十分简单；还可以在得到时间差的基础上，采用超声波测距原理，将时间差乘以超声波速换算成距离数据（虽然将超声波的发射、接收时间差换算为距离是通用技术，但是，在本发明前述方案的基础上，再附加这一手段，可以使本发明作更为深入的应用），此距离数据可以反映结构表面到O点的最短距离数值，求得这一数值既可以使结构形变的数据得到量化，也可以作为本发明后续深化应用的基础。其价值主要体现在如下两方面：1）由于本发明的方案是对大区域实现覆盖性监测，又由于超声波的难于精确定位，那么，在结构体发生形变后，虽然我们知道结构表面发生了形变，但不清楚形变是由监测区内的哪部分结构表面造成的，需要对形变处进行精确测量或重点监测时，就需要找出一个相对精确的区域来，进行有针对性的监测；2）发明内容中述及，本发明扩展为形变监测、报警系统时，监测区中心形变虽然可以间接反应监测区边沿位置的形变，但从安全角度考虑（若监测区中心位置的形变是由于被边沿位置的形变波及而产生的，则一般来说中心位置的形变量要小于边沿位置的形变量），需要制定较为保守的结构安全阈值；前述两点问题的解决方案，都需要在换算出距离数据的基础上进行。

1）确定相对精确的重点监测位置的问题

a.参见图4，图中NO`所在直线即为结构形变前的结构表面所在位置，NM所在直线即为结构形变后的结构表面所在位置；

当轮廓记忆测量面（也即监测区）边沿处（也即M点附近区域）的结构发生变形时，若M点处沿Z轴方向的形变量为?L，且受力点中心在M点，结构变形过程中压力F与发生的形变量?L的关系为：

                  （1）

为弹性模量，为受力前有效横截面面积，

为原始距离

由于结构表面在力F的作用下发生变形?L，其形态曲线近似线性，直线MN可近似作为边沿结构表面受到力的作用后，发生?L变形量时结构面的形态曲线。设形变量为?L，M点坐标为（y0，z0），由于z0=L－?L, tan

=，y0=－L tan，所以M点坐标为M（－L tan

，L－?L）；设形态直线MN的斜率为k，则MN直线方程为z－z0=k（y－y0），即

z－（L－?L）=k（y+ L tan

）            （2）

其中，k值大小与受监测的结构材质等因素相关，可以通过材料实验确定。

实际测量得到的数据（即换算得到的距离数据）为原点O到形变面的距离，设距离为D，则原点（0，0）到直线MN直线的距离D为：

D=

                 （3）

将 tan

=

代入上式有：

        （4） 

由此可知D和?L的关系是斜率为

的直线；公式（4）中的

为常量，按前述的思路推导出常量的表达式，应该是本领域技术人员所具备的基本数学能力，而结论的重点在于D和?L的关系，因此将该常量简化为标记W。

当选用超声探头收发一体传感器时（也即接收装置和发射装置的位置重合设置的情况），只需将上述推导过程中的h设为0即可，分析结论不变。

b.当轮廓记忆测量面中心处发生变形时，若在波束角区域的中心位置O`点受到与边沿处同样大小的力，发生同样的变形量?L，则D和?L的关系为

D=-?L+L            （5）

D和?L关系是斜率为－1的直线。

参见图5，图中所示数据展示了监测数据D和轮廓记忆测量面不同区域形变量的分布规律（实验装置同前，结构变形模拟塑料垫与坐标原点O相距160cm），实验数据也证明了D和?L的线性关系。

综合a、b可知，在波束角范围内轮廓记忆测量面不同区域发生变形，测量

数据D和变形量?L的关系是斜率在（-1，）区域范围内变化的直线。

基于上述结论，通过对测量数据的记忆学习并结合结构受压变形规律，可以非定量的确定形变位置是靠近轮廓记忆测量面的边缘位置还是中心位置，即可以得到如下结论：

若结构表面发生形变后，监测数据为D，D与原始数据的差值为

，则D和

具备线性关系，

，

其中，

为斜率，

为常量；

若

，则监测区范围内的形变最大点在监测区中心位置；

若

，则监测区范围内的形变最大点在监测区边沿位置；

若

，则监测区范围内的形变最大点在监测区的边沿和中心之间的位置；

为与被监测结构材质有关的可调参数，需要针对不同结构的材质进行调整。

2）计算保守阈值的问题

在监测区的边沿位置，存在超声波检测的敏感死区（见图6中虚线所围区域），在边沿位置的形变量必须达到某一最小形变量数值后才能被超声波感知；

?L进入球面区域能被觉察到的最小变形量?L1计算过程如下：

由z=

，将y= －L tan

得， z=

=L

?L1=L－z=L(1－

)   ，其中，边缘处tan

=

 （13）

当选用超声探头收发一体传感器时，只需将上述推导过程h设为0即可，分析结论不变。

下面结合实验数据来分析敏感死区的问题，实验装置同前，分别在L=108.5cm, L=159cm的波束角边缘处对结构变形模拟塑料垫进行加压实验，敏感死区实验数据见图7、8。

由图7可见，在形变量?L小于3cm时，数据几乎无变化，处于稳定状态，在?L=3.5cm附近，数据由108.5跳变到107.638，在此处发生转折，测距数据逐渐减小（反映出形变量逐步增大）。结合公式（13）和边缘处tan

=

，计算可得敏感死区理论值为3.6cm，实验结果与理论值相吻合。

由图8可见，在形变量?L=5.5cm之前，测距数据几乎无变化，此后发生转折，测距数据逐渐减小（反映出形变量逐步增大）。结合公式（13）和边沿处

tan

=

，计算可得敏感死区理论值为5.47cm，实验结果与理论值相

吻合。

由于敏感死区的存在，为了保证结构的安全性，不能采用标准的安全门限去评估结构形变安全状态，必须采用比标准门限更为保守的控制门限。

由于轮廓记忆测量面边缘处MN的直线方程为

当y=0时，得

轮廓记忆测量面中心处的形变量?=L－z=?L－kLtan

轮廓记忆测量面边沿处与中心处的形变量关系满足下式：

?L=?+kLtan

保守安全门限方法思路是：只有当边沿处的变形量不大于国家标准控制上限δ，则能保证在波束角范围内的任意位置发生的形变量小于国家标准量δ，结构监测面形变处于安全状态无需报警，即

?L=?+kLtan

≤δ

由此得到中心处形变量?≤δ－k L tan

所以最低安全门限值η=δ－kLtan

，即中心处发生形变量超过η=δ－k L tan

就报警，可保证整体结构处于安全状态内。

考虑边沿处的极限情况： 由于tan

=

，有：

其中，为设定阈值，

为国家行业标准形变量在一定时间段内的控制上限数值，

为与被监测结构材质有关的可调参数，

为第一次发射、接收操作所测量到的时间差所换算出的Z轴上O点到结构表面的距离，

为超声波波束角的半角度数。

Claims (9)

1.一种基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于：设置超声波发射装置和超声波接收装置，超声波发射装置的发射区域为一圆锥曲面所围的区域，超声波接收装置的接收区域也为一圆锥曲面所围的区域，发射区域和接收区域有重叠部分，发射区域和接收区域的重叠部分在结构表面的投影区域即形成监测区，监测区覆盖了监测区范围内的结构表面上的所有点；单次操作中，发射超声波信号并接收对应的反射信号，得到发射时刻和接收时刻的时间差；比较不同次操作所得到的时间差是否有变化：有变化，则监测区范围内的结构表面发生了形变；无变化，则监测区范围内的结构表面未发生形变；从而实现对监测区范围内的结构表面上的所有点的覆盖性监测。

2.根据权利要求1所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于：具体步骤为：1）间歇性地向结构表面发射超声波并接收对应的反馈信号，2）记录超声波的发射时刻和对应的反馈信号的接收时刻，得到两个时刻的时间差；3）以第一次发射、接收操作完成后获得的数据为原始数据，后续单次发射、接收操作完成后获得的数据为监测数据，4）将单次监测数据与原始数据进行比对，若两个数据相同，则监测区范围内的结构表面没有发生形变；若两个数据不同，则监测区范围内的结构表面发生了形变。

3.根据权利要求2所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于：超声波发射装置和超声波接收装置间隔一定距离设置或者二者位置重合设置。

4.根据权利要求3所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于：发射装置和接收装置的波束角相同，且发射方向和接收方向在同一平面内互相平行。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于：一个超声波发射装置和一个超声波接收装置即形成一个测量单元，多个测量单元成阵列设置。

6.根据权利要求4所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于：步骤2）中，得到发射时刻和接收时刻的时间差后，采用超声波测距原理，将时间差乘以超声波速换算成距离数据。

7.根据权利要求6所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于：发射装置和接收装置间隔一定距离设置时，设T点为发射装置所在位置，R点为接收装置所在位置；O点为T点和R点之间连线的中点；以O点为坐标原点建立坐标系，过O点且平行于发射/接收方向的直线为Z轴，过T点和R点的直线为Y轴，过O点且垂直于Z轴和Y轴的直线为X轴，则根据如下方法确定监测区的范围：

若结构表面的平面方程为nx+my+p(z-L)=0，则监测区为如下函数所对应的曲线所围封闭区域：

其中，

、

、

为结构监测平面的法线向量；为超声波波束角的半角度数；

、

、

为坐标数据；

为监测盲区在Z轴上的长度；

为第一次发射、接收操作所测量到的时间差所换算出的Z轴上O点到结构表面的距离；

若结构表面的平面方程未知，则监测区范围为如下函数所对应的曲线所围封闭区域： 

其中，

为第一次发射、接收操作所测量到的时间差所换算出的Z轴上O点到结构表面的距离。

8.根据权利要求6所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于：若结构表面发生形变后，监测数据为D，D与原始数据的差值为

，则D和

具备线性关系，

，

其中，

为斜率，

为常量；

若

，则监测区范围内的形变最大点在监测区中心位置；

若

，则监测区范围内的形变最大点在监测区边沿位置；

若

，则监测区范围内的形变最大点在监测区的边沿和中心之间的位置；

为与被监测结构材质有关的可调参数。

9.根据权利要求6所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于：完成步骤4）的操作后，若结构表面发生形变，对应的监测数据为D，D与原始数据的差值为

，若

大于设定阈值，则发出报警信息；

根据下式确定设定阈值：

其中，为设定阈值，

为国家行业标准形变量在一定时间段内的控制上限数值，

为与被监测结构材质有关的可调参数，

为第一次发射、接收操作所测量到的时间差所换算出的Z轴上O点到结构表面的距离，

为超声波波束角的半角度数。

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