CN102607540A - 一种用于测量地下空间相对变化量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量地下空间相对变化量的装置，本发明的测量装置中的计算统计模块在数据处理过程中，将反射台的倾斜角度考虑在内，从而对计算结果进行修正，获得较为准确的测量数据。另一方面，当技术人员对反射台进行调整时，计算统计模块可以根据倾斜角度计算出需要对哪个螺栓以及每个螺栓的旋入距离，以帮助技术人员快速调平，保证测量精度。

Description

一种用于测量地下空间相对变化量的装置

技术领域

本发明涉及激光测距领域，尤其涉及一种用于测量地下空间相对变化量的装置。

背景技术

各种地下工程如煤矿、金属矿山或隧道工程中，工程开挖会导致围岩产生变形，地下空间也会随着时间发生变化。在煤矿中，顶板下沉是矿山压力的外在表现形式，巷道表面位移则是最基本的巷道矿压监测内容。充填开采中，工作面顺槽的顶底板移近量大小反映了充填体对顶板下沉的控制效果。通过对顶底板之间移近量的大小的监控，可确定出合理的推进速度和充填步距。

巷道表面位移——也即工作面顺槽的顶底板移近量——其测量仪器和方法均较多。简单的测量仪器有钢卷尺、测枪、收敛计等，测量方法有可采用十字布点法人工测量巷道的表面位移，上述仪器和方法可以只能用于静态测量，也就是测量某一时刻巷道的距离，不适用于动态地、连续地测量。而常见的动态测量仪则通常包括测杆、套筒、弹簧以及位移测量装置，测量过程中，动态测量仪的两端需要分别与巷道的两端接触，占据了巷道空间，具有使用不方便的缺点。

利用激光测距技术，则可以克服上述技术方案的缺陷。激光测距准确度高，并且不占用巷道空间。但是仍然存在一定的问题。激光反射模块被单独固定在巷道内适当的位置上，其反射台用于反射激光，当反射台发生倾斜时，会给测量精度带来较大影响，而技术人员也很难做到实时的维修。

发明内容

针对上述技术问题，本发明设计开发了一种用于测量地下空间相对变化量的装置。

本发明的一个目的在于，提供一种可以准确测量地下空间相对变化量的装置。计算统计模块在数据处理过程中，将反射台的倾斜角度考虑在内，从而对计算结果进行修正，获得较为准确的测量数据。另一方面，当技术人员对反射台进行调整时，计算统计模块可以根据倾斜角度计算出需要对哪个螺栓以及每个螺栓的旋入距离，以帮助技术人员快速调平，保证测量精度。

本发明提供的技术方案为：

一种用于测量地下空间相对变化量的装置，包括：

激光测量单元，其包括激光发射模块和激光接收模块，其中，所述激光测量单元设置于地下空间的待测距两端中的一个端部处，且在该一个端部处固设有向另一个端部方向延伸的导向件，所述激光测量单元可拆卸地连接于该导向件，并使所述激光发射模块发射的激光光路延向另一个端部方向延伸；

激光反射模块，其包括有反射台和调平机构，其中，所述反射台设置于地下空间的待测距两端中的另一端部处，所述反射台连接有一检测所述反射台的倾斜角度的倾角传感器，所述调平机构包括三个具有等距螺纹的螺杆，所述反射台通过所述螺杆固定于一水平设置的支撑底座上，所述反射台与所述三个螺杆为固定连接，所述三个螺杆相对于所述反射台表面上的一个圆均匀分布，所述支撑底座具有供所述螺杆旋进旋出的、与所述螺杆螺纹配合的螺纹孔；

时间模块，其与所述激光测量单元通信连接，在所述激光发射模块发射激光时以及所述激光接收模块接收激光时生成时间信号；

计算统计模块，其与所述时间模块通信连接，接收所述时间模块的时间信号，并得出激光由所述激光发射模块发出到被激光接收模块接收的往返时间T，所述计算统计模块还与所述倾角传感器通信连接，接收所述倾角传感器的倾角信号，所述计算统计模块根据所述反射台的倾斜角度，得出激光由激光发射模块发出到达所述激光反射模块的单程时间t，则所述地下空间的待测距两端之间的距离为两倍的单程时间乘以激光的传播速度，所述计算统计模块统计距离的变化量，

所述计算统计模块还根据所述反射台的倾斜角度，判断所述反射台与所述三个螺杆的连接部位中相对于同一水平面位于最低点的连接部位所对应的螺杆，并计算另两个螺杆需要向下移动的距离，该距离以螺纹个数的形式表示。

优选的是，所述的用于测量地下空间相对变化量的装置，还包括：

钻孔，其设置在所述地下空间的待测距两端中的一个端部处，且所述钻孔向所述另一个端部方向延伸，所述导向件通过插入固定在该钻孔中而固设在该一个端部处。

优选的是，所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述导向件通过插入固定在该钻孔中而固设在该一个端部处，是通过以下方式实现的，

所述导向件具有三个支撑体，所述三个支撑体相对所述导向件的轴线均匀分布，所述支撑体的外边缘至所述导向件的中心轴线的距离相等，所述支撑体以当所述导向件伸入所述钻孔时可以向与所述导向件的前进方向相反的方向转动的方式与所述导向件连接，

当所述支撑体垂直于所述导向件的中心轴线时，所述支撑体的外边缘到所述导向件的中心轴线的距离大于钻孔的半径，

并且所述支撑体与所述导向件之间连接有弹性构件。

优选的是，所述的用于测量地下空间相对变化量的装置，还包括：

外部监控模块，其设置于所述地下空间的外侧，与所述计算统计模块通信，获取所述计算统计模块统计的距离的变化量，同时还获取所述反射台的倾斜角度，当倾斜角度大于设定值时，所述外部监控模块发出报警提示。

优选的是，所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述倾斜传感器通过无线信号的方式与所述计算统计模块通信。

优选的是，所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述弹性构件为压缩弹簧。

优选的是，所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述激光发射模块包括有激光二极管。

优选的是，所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述激光接收模块包括有光电二极管。

优选的是，所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述激光发射模块还包括发射透镜，其中，所述激光二极管位于所述发射透镜的焦点处。

优选的是，所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述激光接收模块还包括有接收透镜，其中，所述光电二极管位于所述接收透镜的焦点处。

本发明所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中的计算统计模块在数据处理过程中，将反射台的倾斜角度考虑在内，从而对计算结果进行修正，获得较为准确的测量数据。另一方面，当技术人员对反射台进行调整时，计算统计模块可以根据倾斜角度计算出需要对哪个螺栓以及每个螺栓的旋入距离，以帮助技术人员快速调平，保证测量精度。

附图说明

图1为本发明所述的用于测量地下空间相对变化量的装置的安装结构示意图。

图2为本发明所述的用于测量地下空间相对变化量的装置的结构示意图。

图3为本发明所述的用于测量地下空间相对变化量的装置的导向件的结构示意图。

图4为本发明所述的用于测量地下空间相对变化量的装置的激光反射模块的调平机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供一种用于溅量地下空间相对变化量的装置，包括：激光测量单元，其包括激光发射模块和激光接收模块，其中，所述激光测量单元设置于地下空间的待溅距两端中的一个端部处，且在该一个端部处固设有向另一个端部方向延伸的导向件，所述激光测量单元可拆卸地连接于该导向件，并使所述激光发射模块发射的激光光路延向另一个端部方向延伸；激光反射模块3，其包括有反射台32和调平机构，其中，所述反射台设置于地下空间的待测距两端中的另一端部处，所述反射台连接有一检测所述反射台的倾斜角度的倾角传感器，所述调平机构包括三个具有等距螺纹的螺杆31，所述反射台通过所述螺杆固定于一水平设置的支撑底座33上，所述反射台与所述三个螺杆为固定连接，所述三个螺杆相对于所述反射台表面上的一个圆均匀分布，所述支撑底座具有供所述螺杆旋进旋出的、与所述螺杆螺纹配合的螺纹孔；时间模块，其与所述激光测量单元通信连接，在所述激光发射模块发射激光时以及所述激光接收模块接收激光时生成时间信号；计算统计模块，其与所述时间模块通信连接，接收所述时间模块的时间信号，并得出激光由所述激光发射模块发出到被激光接收模块接收的往返时间T，所述计算统计模块还与所述倾角传感器通信连接，接收所述倾角传感器的倾角信号，所述计算统计模块根据所述反射台的倾斜角度，得出激光由激光发射模块发出到达所述激光反射模块的单程时间t，则所述地下空间的待测距两端之间的距离为两倍的单程时间乘以激光的传播速度，所述计算统计模块统计距离的变化量，所述计算统计模块还根据所述反射台的倾斜角度，判断所述反射台与所述三个螺杆的连接部位中相对于同一水平面位于最低点的连接部位所对应的螺杆，并计算另两个螺杆需要向下移动的距离，该距离以螺纹个数的形式表示。

所述的用于测量地下空间相对变化量的装置，还包括：钻孔，其设置在所述地下空间的待测距两端中的一个端部处，且所述钻孔向所述另一个端部方向延伸，所述导向件通过插入固定在该钻孔中而固设在该一个端部处。

所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述导向件通过插入固定在该钻孔中而固设在该一个端部处，是通过以下方式实现的，所述导向件具有三个支撑体，所述三个支撑体相对所述导向件的轴线均匀分布，所述支撑体的外边缘至所述导向件的中心轴线的距离相等，所述支撑体以当所述导向件伸入所述钻孔时可以向与所述导向件的前进方向相反的方向转动的方式与所述导向件连接，当所述支撑体垂直于所述导向件的中心轴线时，所述支撑体的外边缘到所述导向件的中心轴线的距离大于钻孔的半径，并且所述支撑体与所述导向件之间连接有弹性构件。

所述的用于测量地下空间相对变化量的装置，还包括：外部监控模块，其设置于所述地下空间的外侧，与所述计算统计模块通信，获取所述计算统计模块统计的距离的变化量，同时还获取所述反射台的倾斜角度，当倾斜角度大于设定值时，所述外部监控模块发出报警提示。

所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述倾斜传感器通过无线信号的方式与所述计算统计模块通信。

所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述弹性构件为压缩弹簧。

所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述激光发射模块包括有激光二极管。

所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述激光接收模块包括有光电二极管。

所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述激光发射模块还包括发射透镜，其中，所述激光二极管位于所述发射透镜的焦点处。

所述的用于测量地下空间相对变化量的装置中，所述激光接收模块还包括有接收透镜，其中，所述光电二极管位于所述接收透镜的焦点处。

本发明中，上述计算统计模块为微处理器。

测量时，由激光二极管发射激光，激光被激光反射模块反射后，被光电二极管接收。时间模块检溅激光发射与激光接收之间的时间间隔T，距离计算模块利用上述时间间隔计算出距离。上述过程是在反射台水平设置，也就是与激光的入射角垂直的情况下。实际上，激光反射模块的反射台很容易发生小角度的倾斜，此时，其倾角角度由倾角传感器检测。倾角传感器与计算统计模块通信，并将数据传递给计算统计模块。当反射台发射倾斜时，主要是激光的反射路径会发生一定角度的偏转，其偏转角度与反射台的倾角角度θ一致，则考察待测距离时，应利用激光由激光发射模块到达激光反射模块的单程时间t来计算。计算公式如下：

$t=\frac{T\·\cos \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\θ}+1}$

则待测距距离为d＝2t·c。其中，c为光速。

上述是一次计算的过程。当装置进行连续测量时，则可以获得在一定时间区间内带测距距离的相对变化量。

计算统计模块通信连接于一外部监控模块，并将计算数据持续的传递给外部监控模块。计算统计模块还同时将倾角传感器所采集的数据传递给外部监控模块。当反射台的倾斜角度大于一设定值时，就需要技术人员对反射台进行调整。外部监控模块可以发出报警提示，通知技术人员到现场维修。

计算统计模块根据反射台的倾斜角度，可以判断出反射台与三个螺杆的连接部位中相对于同一水平面位于最低点的连接部位所对应的螺杆，以该螺杆为基准，计算另一个螺杆需要向下移动的距离。由于螺杆具有等距螺纹，且三个螺杆的螺距都相等，因此，计算统计模块可以给出另两根螺杆需要向下移动的螺纹个数，此数据可以为技术人员提供参考，以实现反射台的快速、准确的调平。

如图1所示，激光测量单元、时间模块以及计算统计模块集成成为一体，设置在一壳体2内，并通过一导向件1固定于地下空间巷道顶部。钻孔4向巷道顶部岩层内部延伸，且与水平面保持垂直。这样，导向件插入钻孔时，就可以保证激光发射模块可以发出垂直于水平面的激光。激光反射模块3则设置在地下空间巷道的底部，与壳体对应。反射台与激光测量单元对应，保证可以接收到激光发射模块发出的激光。

如图3所示，导向件1可分为两部分，包括导向件主体12和支撑体11。当导向件1伸入钻孔4时，受钻孔壁的推挤作用，支撑体向导向件主体12靠拢，此时支撑体与导向件之间的压缩弹簧受到压缩。当导向件到达钻孔内的目标位置，压缩弹簧一直向支撑体施加压力，从而将导向件固定在钻孔内。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种用于测量地下空间相对变化量的装置，其特征在于，包括：

激光测量单元，其包括激光发射模块和激光接收模块，其中，所述激光测量单元设置于地下空间的待测距两端中的一个端部处，且在该一个端部处固设有向另一个端部方向延伸的导向件，所述激光测量单元可拆卸地连接于该导向件，并使所述激光发射模块发射的激光光路延向另一个端部方向延伸；

激光反射模块，其包括有反射台和调平机构，其中，所述反射台设置于地下空间的待测距两端中的另一端部处，所述反射台连接有一检测所述反射台的倾斜角度的倾角传感器，所述调平机构包括三个具有等距螺纹的螺杆，所述反射台通过所述螺杆固定于一水平设置的支撑底座上，所述反射台与所述三个螺杆为固定连接，所述三个螺杆相对于所述反射台表面上的一个圆均匀分布，所述支撑底座具有供所述螺杆旋进旋出的、与所述螺杆螺纹配合的螺纹孔；

时间模块，其与所述激光测量单元通信连接，在所述激光发射模块发射激光时以及所述激光接收模块接收激光时生成时间信号；

计算统计模块，其与所述时间模块通信连接，接收所述时间模块的时间信号，并得出激光由所述激光发射模块发出到被激光接收模块接收的往返时间T，所述计算统计模块还与所述倾角传感器通信连接，接收所述倾角传感器的倾角信号，所述计算统计模块根据所述反射台的倾斜角度，得出激光由激光发射模块发出到达所述激光反射模块的单程时间t，则所述地下空间的待测距两端之间的距离为两倍的单程时间乘以激光的传播速度，所述计算统计模块统计距离的变化量，

所述计算统计模块还根据所述反射台的倾斜角度，判断所述反射台与所述三个螺杆的连接部位中相对于同一水平面位于最低点的连接部位所对应的螺杆，并计算另两个螺杆需要向下移动的距离，该距离以螺纹个数的形式表示。

2.如权利要求1所述的用于测量地下空间相对变化量的装置，其特征在于，还包括：

钻孔，其设置在所述地下空间的待测距两端中的一个端部处，且所述钻孔向所述另一个端部方向延伸，所述导向件通过插入固定在该钻孔中而固设在该一个端部处。

3.如权利要求2所述的用于测量地下空间相对变化量的装置，其特征在于，所述导向件通过插入固定在该钻孔中而固设在该一个端部处，是通过以下方式实现的，

所述导向件具有三个支撑体，所述三个支撑体相对所述导向件的轴线均匀分布，所述支撑体的外边缘至所述导向件的中心轴线的距离相等，所述支撑体以当所述导向件伸入所述钻孔时可以向与所述导向件的前进方向相反的方向转动的方式与所述导向件连接，

当所述支撑体垂直于所述导向件的中心轴线时，所述支撑体的外边缘到所述导向件的中心轴线的距离大于钻孔的半径，

并且所述支撑体与所述导向件之间连接有弹性构件。

4.如权利要求1所述的用于测量地下空间相对变化量的装置，其特征在于，还包括：

外部监控模块，其设置于所述地下空间的外侧，与所述计算统计模块通信，获取所述计算统计模块统计的距离的变化量，同时还获取所述反射台的倾斜角度，当倾斜角度大于设定值时，所述外部监控模块发出报警提示。

5.如权利要求1所述的用于测量地下空间相对变化量的装置，其特征在于，所述倾斜传感器通过无线信号的方式与所述计算统计模块通信。

6.如权利要求3所述的用于测量地下空间相对变化量的装置，其特征在于，所述弹性构件为压缩弹簧。

7.如权利要求1所述的用于测量地下空间相对变化量的装置，其特征在于，所述激光发射模块包括有激光二极管。

8.如权利要求1所述的用于测量地下空间相对变化量的装置，其特征在于，所述激光接收模块包括有光电二极管。

9.如权利要求7所述的用于测量地下空间相对变化量的装置，其特征在于，所述激光发射模块还包括发射透镜，其中，所述激光二极管位于所述发射透镜的焦点处。

10.如权利要求8所述的用于测量地下空间相对变化量的装置，其特征在于，所述激光接收模块还包括有接收透镜，其中，所述光电二极管位于所述接收透镜的焦点处。

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