CN105004271B - 一种利用互成角度光线进行位移监测的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用互成角度光线监测位移变化的系统，其特征在于：包括光线发射器、光线接收靶、数据采集器、远程服务器。所述的光线发射器能发出三束或多束互成角度的光线，所述的光线接收靶设置在监测点上，所述的光线发射器安装在离光线接收靶一定距离的稳定位置上，使光线发射器发出的三束或多束互成角度的光线直接照射在光线接收靶上。所述的光线发射器、光线接收靶通过无线局域网与数据采集器相连；数据采集器将位移变化情况传输给远程服务器。远程服务器可进行数据存储与分析，对超过工程允许值的监测值进行预警。本发明可实现实时监测与预警自动化，提高工程安全，监测精度高，监测范围广，降低人为误差，便于推广。

Description

一种利用互成角度光线进行位移监测的系统及方法

技术领域

本发明涉及土木工程、地质工程和地质灾害监测领域，具体涉及一种利用互成角度光线监测位移变化的系统和方法。

技术背景

目前，在土木工程、地质工程和地灾防治的大量工程实践中，需要监测岩土体或者工程结构物表面的位移变化特征。对于较大的变形或处于加速变形阶段的岩土体或工程结构物，要实现实时监测，及时预警，这样才能有效预防事故和灾害的发生。同时，对于处于加固处理以及处理完成的岩土体或者建筑结构物，也需要实时监测其变形状态，掌握施工效果并保障设施和人员安全。

目前，对于不同的监测对象和监测环境，工程上常常采用不同的监测仪器。对于裂缝变形等的监测，常采用基于千分尺原理的监测方法，就是直接利用千分尺等工具直接测量岩土体或者工程结构物的缝隙等的宽度变化、对应点的位移变化，这种方法操作繁琐，对人工的依赖性较大，监测结果受人为影响较大，且无法实现数据自动采集，自动分析。对于基坑变形监测，目前大多采用全站仪等监测设备，其监测原理主要利用光线的反射与折射进行测距测角。但是这种方法操作复杂，无法消除人工误差；每次测量都需要专业人员架设仪器，进行监测，对人工依赖性大，返场率高。

对于位于偏远地区的监测对象，传统的监测方法需要监测人员反复来往监测地点，提高了交通运输成本，且不能实现自动实时监测。另外对于比较危险的监测对象，例如处于加速变形阶段的滑坡，传统的监测方法容易造成安全隐患，威胁人身安全。

发明内容：

针对上述问题，本发明设计了一种利用互成角度的多束光线自动实时监测岩土体和工程结构物位移变化的系统和方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种利用互成角度光线监测位移变化的系统，其特征在于：包括光线发射器、光线接收靶、数据采集器、远程服务器，所述的光线发射器能发出三束或多束互成角度的光线，所述的光线接收靶设置在监测点上，所述的光线发射器安装在离光线接收靶一定距离的稳定位置上，使光线发射器发出的三束或多束互成角度的光线直接照射在光线接收靶上，所述的光线发射器、光线接收靶分别通过无线局域网与数据采集器联接。所述的数据采集器将光线距离信息和落点位置变化信息解译成监测点的位移变化信息，并将之传送到远程服务器上。

作为技术的进一步改进，所述的光线发射器包括发射头、激光测距传感器、电源模块一、通信模块一；所述的三束或多束光线之间的角度可以调节，且光线可以在光线接收靶上形成三角形或多边形角点的落点，激光测距传感器安装在发射头上，且至少使一束光线具有测距能力，由通信模块一与数据采集器无线进行联接。

作为技术的进一步改进，所述的光线接收靶包括光线过滤板、光点识别元件、读数模块、电源模块二和通信模块二，所述的光线过滤板设在光点识别元件表面上，作用是仅使光线发射器发射的光线可以形成落点，光点识别元件与读数模块、电源模块二和通信模块二连接，通信模块二与数据采集器无线联接。

作为技术的进一步改进，所述的数据采集器包括数据处理模块、存储模块、通信模块三、电源模块三。

作为技术的进一步改进，所述的远程服务器安装有应用服务系统及分析预警系统，进行数据解析、数据处理、数据服务。

作为技术的进一步改进，所述的三束或多束互成角度的光线是一种可调互成角度的三束或多束互成角度的光线，且互成角度三束或多束光线在光线接收靶上的落点形成一个三角形或多边形。

作为技术的进一步改进，所述的点识别元件为一种CCD板或密布光敏二极管的识别元件，自动采集光线照在光线过滤板上的落点信息。

作为技术的进一步改进，光线发射器与光线接收靶的通信模块一和通信模块二是一种带有Zigbee网卡的通信模块。

一种利用互成角度光线监测位移变化的系统的测量方法，其步骤如下：

(1)将所述光线接收靶、光线发射器与数据采集器通过无线局域网连接，把光线接收靶设置在监测点上，将光线发射器安装在距离光线接收靶一定距离的稳定位置上；

(2)调节光线发射器的发射头，使其发射的三束或多束光线互成合适角度投射在光线接收靶上，并在光线接收靶上落点成像；将光点识别元件成功识别到的落点信息作为初始值，同时将此时激光测距传感器的测量值作为初值；

(3)光线发射器与光线接收靶通过各自的通信模块向数据采集器传输监测信息；

(4)数据采集器发出工作指令时，光线发射器和光线接收靶协同工作，完成一次数据采集；数据采集器的数据处理模块预存有相关算法，可以将落点的位置信息及距离变化解译成监测点的位移变化信息，并通过其通信模块将数据传输到远程服务器；

(5)远程服务器上运行应用服务系统及分析预警系统，将监测点的位移变化信息分析和储存；当监测点位移变化超过工程安全预警值时，远程服务器发出预警信号；同时远程服务器通过数据采集器分别向光线发射器和光线接收靶发送指令，调整光线发射器和光线接收靶的工作时间与工作频率，在非工作时间内，仪器自动进入休眠状态，降低功耗。

作为技术的进一步改进，步骤(4)中，当通信出现故障时，所述数据采集器可以暂时储存监测数据，当通信恢复后，将监测数据传送至远程服务器；在特殊条件下，数据采集器可以直接将数据传输到其他手持终端。

作为技术的进一步改进，步骤(5)中，本发明预警方法的实现是通过：(1)远程服务器中将收集到的大量土木工程参数与地质工程参数整合后，给出与监测项目相关物理量的参考值。(2)数据采集器将监测信息解译成监测实际值。(3)远程服务器将物理量实际监测值与所述监测物理量参考值比较(包括与初始值比较)，得到修正后的监测物理量值。(4)远程服务器将该工程相关的物理量参考值与相关规范允许值结合，提出该物理量工程安全预警值。(5)远程服务器将监测物理量修正值与所述监测物理量工程安全预警值对比，若所述修正值低于工程安全预警值，则远程服务器向数据采集器发送信息，使光线发射器与光线接收靶按设定模式继续工作，若所述修正值高于工程安全预警值，则远程服务器向与之相连的pc端和移动端发出预警信号，同时向数据采集器发送信息，加强对监测点的监测。

采用上述结构，本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

1、本发明能够实现远程操控，智能监测。本发明可以通过访问远程服务器上记录的数据，来控制监测现场的监测时间，并能设置监测频率，使光线发射器与光线接收靶定时自动工作，实现智能化。

2、本发明降低人工成本，便于推广。本发明只需在监测之初，人工固定光线发射器与光线接收靶的位置。之后监测自动进行，最大程度减少人工返场次数，对于偏远野外的监测项目，既减少交通费与人工费，同时保证工程安全。

3、本发明精度较高、测量结果丰富可靠。本发明采用光学原理，利用多点成像原理，清晰反应监测点的变形情况，由于减小人为误差，大大提高监测精度；传统的监测方法，一般只能提供监测点的相对位移，而本发明可以提供测量点的扭转信息与倾斜信息。

4、本发明实现监测预警自动化。传统监测方法，一般只能采集数据，而数据需要通过大量分析与人工计算后才能确定是否需要预警，本发明可实现监测与预警自动化，大大提高工程安全。

5、本发明的监测范围广。本发明即可用于裂缝监测等较小的监测对象，也适用于滑坡、基坑监测等较大型的监测对象，便于推广。

附图说明

图1为本发明连接结构示意图；

图2为本发明预警系统流程图。

其中1、光线发射器；2、光线接收靶；3、数据采集器；4、远程服务器；5、发射头；6、激光测距传感器；71、电源模块一；72、电源模块二；73、电源模块三；81、通信模块一；82、通信模块二；83、通信模块三；9、光线过滤板；10、光点识别元件；11、读数模块；12、数据处理模块；13、存储模块；14、光线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步详述，但不构成对本发明的任何限制。

如图1、2所示：

一种利用互成角度光线监测位移变化的系统，其特征在于：包括光线发射器1、光线接收靶2、数据采集器3、远程服务器4；所述的光线发射器1能发出三束互成角度的光线14，所述的光线接收靶2设置在监测点上，所述的光线发射器1安装在离光线接收靶2一定距离的稳定位置上，使光线发射器1发出的三束互成角度的光线14直接照射在光线接收靶2上。

在本实施例中，选用激光作为光线发射器1发射的光线。

光线发射器和光线接收靶通过无线局域网与数据采集仪连接，形成一个完整的工作系统，数据采集仪发出工作指令时，光线发射器和光线接收靶协同工作，完成一次数据采集。

光线发射器1包括发射头5、激光测距传感器6、电源模块一71、通信模块一81，由电源模块一71供电源给发射头5发出三束互成角度的光线14，激光测距传感器6安装在发射头5上，且至少使一束光线具有测距能力。

光线接收靶2包括光线过滤板9、光点识别元件10、读数模块11、电源模块二72和通信模块二82，所述的光线过滤板9设在光点识别元件10表面上，光点识别元件10与读数模块11、电源模块二72和通信模块二82连接。

数据采集器3包括数据处理模块12、存储模块13、通信模块三83、电源模块三73；当通信出现故障时，所述数据采集器可以暂时储存监测数据，当通信恢复后，将监测数据传送至远程服务器或其他终端。数据采集器的数据处理模块预存有相关算法。可以将落点的位置信息及距离变化解译成监测点的位移变化信息，数据可以暂存于数据采集器，并通过其通信模块将数据传输到远程服务器。

远程服务器4为云端服务器，安装有应用服务系统及分析预警系统，进行数据解析、数据处理、数据服务。

其所述的三束互成角度的光线14是一种可调互成角度的三束互成角度的光线，且互成角度三束光线在光线接收靶上的落点形成一个三角形。

点识别元件10为一种CCD板或密布光敏二极管的识别元件，自动采集光线14照在光线过滤板9上的落点信息。

光线发射器1与光线接收靶2的通信模块是一种带有Zigbee网卡的通信模块。

光线接收靶2中，光线过滤板将非发射头发出的光线过滤，仅使发射头发射的光线通过，并落点成像；光点识别元件能够识别通过光线过滤板上的光线落点，并将落点信息传输到与之相连的读数模块。

所述电源模块，包括太阳能电池与蓄电池，太阳能电池用于日常供电，当太阳能电池电量不足或者其他极端条件下，由蓄电池供电。

一种利用互成角度光线监测位移变化的系统的测量方法，其步骤如下：

(1)将所述光线接收靶、光线发射器与数据采集器通过无线局域网连接，把光线接收靶设置在监测点上，将光线发射器安装在距离光线接收靶一定距离的稳定位置上。

(2)调节光线发射器的发射头，使其发射的三束或多束光线互成合适角度投射在光线接收靶上，并在光线接收靶上落点成像；将光点识别元件成功识别到的落点信息作为初始值，同时将此时激光测距传感器的测量值作为初值。

(3)光线发射器与光线接收靶通过各自的通信模块向数据采集器传输监测信息；

(4)数据采集器发出工作指令时，光线发射器和光线接收靶协同工作，完成一次数据采集；数据采集器的数据处理模块预存有相关算法，可以将落点的位置信息及距离变化解译成监测点的位移变化信息，并通过其通信模块将数据传输到远程服务器。

(5)远程服务器上运行应用服务系统及分析预警系统，将监测点的位移变化信息分析和储存；当监测点位移变化超过工程安全预警值时，远程服务器发出预警信号；同时远程服务器通过数据采集器分别向光线发射器和光线接收靶发送指令，调整光线发射器和光线接收靶的工作时间与工作频率，在非工作时间内，仪器自动进入休眠状态，降低功耗。

步骤(4)中，当通信出现故障时，所述数据采集器可以暂时储存监测数据，当通信恢复后，将监测数据传送至远程服务器；在特殊条件下，数据采集器可以直接将数据传输到其他手持终端。

作为技术的进一步改进，步骤(5)中，本发明预警方法的实现是通过：(1)远程服务器中将收集到的大量土木工程参数与地质工程参数整合后，给出与监测项目相关物理量的参考值。(2)数据采集器将监测信息解译成监测实际值。(3)远程服务器将物理量实际监测值与所述监测物理量参考值比较(包括与初始值比较)，得到修正后的监测物理量值。(4)远程服务器将该工程相关的物理量参考值与相关规范允许值结合，提出该物理量工程安全预警值。(5)远程服务器将监测物理量修正值与所述监测物理量工程安全预警值对比，若所述修正值低于工程安全预警值，则远程服务器向数据采集器发送信息，使光线发射器与光线接收靶按设定模式继续工作，若所述修正值高于工程安全预警值，则远程服务器向与之相连的pc端和移动端发出预警信号，同时向数据采集器发送信息，加强对监测点的监测。

在特殊条件下，可以直接将数据采集器与手持设备相连获取监测结果。

本发明的这些详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的相信内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和步骤的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。

Claims (7)

1.一种利用互成角度光线监测位移变化的系统，其特征在于：包括光线发射器(1)、光线接收靶(2)、数据采集器(3)、远程服务器(4)，所述的光线发射器(1)能发出三束或多束互成角度的光线(14)，所述的光线接收靶(2)设置在监测点上，所述的光线发射器(1)安装在离光线接收靶(2)一定距离的稳定位置上，使光线发射器(1)发出的光线(14)直接照射在光线接收靶(2)上，所述的光线发射器(1)、光线接收靶(2)分别通过无线局域网与数据采集器(3)联接，所述的数据采集器(3)将光线距离信息和落点位置变化信息解译成监测点的位移变化信息，并将之传送到远程服务器(4)上；

所述的光线发射器(1)包括发射头(5)、激光测距传感器(6)、电源模块一(71)、通信模块一(81)；激光测距传感器(6)安装在发射头(5)上，且至少使一束光线具有测距能力，由通信模块一(81)与数据采集器(3)无线进行联接；

所述的光线接收靶(2)包括光线过滤板(9)、光点识别元件(10)、读数模块(11)、电源模块二(72)和通信模块二(82)，所述的光线过滤板(9)设在光点识别元件(10)表面上,作用是仅使光线发射器发射的光线可以形成落点，光点识别元件(10)与读数模块(11)、电源模块二(72)和通信模块二(82)连接，由通信模块二(82)与数据采集器(3)无线联接；

所述的数据采集器(3)包括数据处理模块(12)、存储模块(13)、通信模块三(83)、电源模块三(73)，数据处理模块(12)预存有算法；

光线发射器(1)发出的三束或多束互成角度的光线(14)直接照射在光线接收靶(2)上，三束或多束光线之间的角度可以调节，且光线可以在光线接收靶上形成三角形或多边形角点的落点，并在光线接收靶上落点成像，将光点识别元件成功识别到的落点信息作为初始值，同时将此时激光测距传感器的测量值作为初值；

光线发射器与光线接收靶通过各自的通信模块向数据采集器传输监测信息；

数据采集器发出工作指令时，光线发射器和光线接收靶协同工作，完成一次数据采集；数据采集器的数据处理模块预存有相关算法，可以将落点的位置信息及距离变化解译成监测点的位移变化信息，并通过其通信模块将数据传输到远程服务器；

远程服务器上运行应用服务系统及分析预警系统，将监测点的位移变化信息分析和储存；

当监测点位移变化超过工程安全预警值时，远程服务器发出预警信号；同时远程服务器通过数据采集器分别向光线发射器和光线接收靶发送指令，调整光线发射器和光线接收靶的工作时间与工作频率，在非工作时间内，仪器自动进入休眠状态，降低功耗。

2.根据权利要求1所述的一种利用互成角度光线监测位移变化的系统，其特征在于：所述的远程服务器(4)包括安装有应用服务系统及分析预警系统，进行数据解析、数据处理、数据服务。

3.根据权利要求1所述的一种利用互成角度光线监测位移变化的系统，其特征在于：所述的光点识别元件(10)为一种CCD板或密布光敏二极管的识别元件，自动采集光线(14)照在光线过滤板(9)上的落点信息。

4.根据权利要求3所述的一种利用互成角度光线监测位移变化的系统，其特征在于：光线发射器(1)与光线接收靶(2)的通信模块一(81)和通信模块二(82)是一种带有Zigbee网卡的通信模块。

5.一种上述权利要求1-4中任一项的利用互成角度光线监测位移变化的系统的测量方法，其步骤如下：

(1)将所述光线接收靶、光线发射器与数据采集器通过无线局域网连接，把光线接收靶设置在监测点上，将光线发射器安装在距离光线接收靶一定距离的稳定位置上；

(2)调节光线发射器的发射头，使其发射的三束或多束光线互成合适角度投射在光线接收靶上，并在光线接收靶上落点成像；将光点识别元件成功识别到的落点信息作为初始值，同时将此时激光测距传感器的测量值作为初始值；

(3)光线发射器与光线接收靶通过各自的通信模块向数据采集器传输监测信息；

(4)数据采集器发出工作指令时，光线发射器和光线接收靶协同工作，完成一次数据采集；数据采集器的数据处理模块预存有相关算法，可以将落点的位置信息及距离变化解译成监测点的位移变化信息，并通过其通信模块将数据传输到远程服务器；

(5)远程服务器上运行应用服务系统及分析预警系统，将监测点的位移变化信息分析和储存；当监测点位移变化超过工程安全预警值时，远程服务器发出预警信号；同时远程服务器通过数据采集器分别向光线发射器和光线接收靶发送指令，调整光线发射器和光线接收靶的工作时间与工作频率，在非工作时间内，仪器自动进入休眠状态，降低功耗。

6.根据权利要求5所述的一种利用互成角度光线监测位移变化的系统的测量方法，其特征在于：步骤(4)中，当通信出现故障时，所述数据采集器可以暂时储存监测数据，当通信恢复后，将监测数据传送至远程服务器；在特殊条件下，数据采集器可以直接将数据传输到其他手持终端。

7.根据权利要求6所述的一种利用互成角度光线监测位移变化的系统的测量方法，其特征在于：步骤(5)中，应用服务系统及分析预警系统的预警方法为(1)制定预警参考值；(2)将监测值与预警值进行对比；(3)监测值超过预警值时，推送预警信息，调整监测时间和频率。