CN105178276A - 一种基于光学原理的测斜装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学原理的测斜装置，包括测斜导管，所述测斜导管的内壁开设有多组导槽，还包括井下测斜机构和井上测高机构；所述井下测斜机构包括探头，所述探头包括密闭壳体、激光陀螺和CCD图像传感器，所述激光陀螺设置在所述密闭壳体的顶部中央、且向下发射竖直激光束，所述CCD图像传感器设置在所述密闭壳体的底部，所述密闭壳体的外壁安装有与所述导槽相对应的滚轮；所述井上测高机构包括相连接的刻度齿轮和计算机，所述刻度齿轮通过绞绳与密闭壳体的顶部连接，所述计算机与CCD图像传感器连接。本发明可以实现对深部岩土体内部的变形测量，得到预埋钻孔的三维变形曲线。

Description

一种基于光学原理的测斜装置

技术领域

本发明属于地基沉降变形监测技术领域，具体涉及一种基于光学原理的测斜装置，它用于测量地下空间体的倾斜角度和水平变形。

背景技术

在铁路、水利、市政、土建、矿山等岩体工程领域中，土体边坡的稳定性一直都占有极为重要的地位，如何准确地分析土体边坡稳定性、预防滑坡灾害的形成，提出既经济又安全的最优化方案，是人们长期以来不断探索的关键技术问题。

变形检测是研究和防治滑坡灾害的重要环节之一，通过检测可以掌握边坡的变形特征和发生、发展规律，预测、预报滑坡体的边界条件、空间规模、发生时间及危害性，以便及时采取相应的防治对策，尽可能地避免或减轻滑坡灾害引起的经济财产损失和人员伤亡。同时，根据监测到的边坡岩土体的变形范围和发展趋势，确定滑动面的位置和形态，为支护工程设计提供依据。

常用的检测方法有：测斜仪法、放射性同位素法、应变管法等。其中，采用测斜仪法确定深部边坡滑动面的位置最为经济有效，该方法可以用来判明位移大小、位移方向和位移方式等。然而，传统的测斜仪绝大部分还是基于电学原理来得到和计算预埋点的倾斜角度和水平位移，其主要存在如下缺陷：

1)精度低，为了消除传感器的偏值和轴对准所造成的误差，必须采用正反测量的手段来提高精度；

2)稳定性差，由于采用电学原理来实现模拟信号的输出和采集，所用到的分布电容受外界环境的影响较大，不同的温度、湿度，甚至传输线的扰动都会对结果产生一定的影响。

因此，研发基于光学原理的测斜仪对于提高边坡稳定性分析的精度，促进岩土力学的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光学原理的测斜装置，它基于光学原理，可靠性高、精度高、受外界干扰性小，可以实现对深部岩土体内部的变形测量，得到预埋钻孔的三维变形曲线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于光学原理的测斜装置，该装置包括设置在预埋钻孔内的测斜导管，所述测斜导管的内壁沿轴向均匀开设有多组导槽，其特征在于，该装置还包括井下测斜机构和井上测高机构；

所述井下测斜机构包括设置在所述测斜导管内的探头，所述探头包括密闭壳体、激光陀螺和CCD图像传感器，所述激光陀螺设置在所述密闭壳体的顶部中央、且向下发射竖直激光束，所述CCD图像传感器设置在所述密闭壳体的底部，所述密闭壳体的外壁安装有与所述多组导槽相对应的滚轮；

所述井上测高机构包括相连接的刻度齿轮和计算机，所述刻度齿轮通过绞绳与密闭壳体的顶部连接，所述计算机与CCD图像传感器连接；

测量时，先将探头底端与测斜导管的入口处持平，记录此时刻度齿轮的读数，再将探头通过滚轮和导槽平稳下放一个高度Δz，探头下放的高度Δz通过刻度齿轮的读数得出，激光陀螺向下发射的竖直激光束投射到CCD图像传感器上，CCD图像传感器通过其接收板上的刻度实时读出激光束的水平位置信息Δx和Δy，如此直至将探头下放到测斜导管的底部，探头每下方一个高度Δz，其对应的激光束的水平位置信息记为Δx(z)和Δy(z)，由此可得在任一高度z激光的位置偏差Δx和Δy，并据此绘制激光束的水平偏移曲线，其中，

$x={\∫}_0^z{\mathrm{sin\θ}}_{x}dz\≈{\∫}_0^z\frac{\∂x}{\∂z}dz\≈\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{\Δ}x}{L}\mathrm{\Δ}z---\left(1\right),$

$y={\∫}_0^z{\mathrm{sin\θ}}_{y}dz\≈{\∫}_0^z\frac{\∂y}{\∂z}dz\≈\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{\Δ}y}{L}\mathrm{\Δ}z---\left(2\right),$

其中，倾斜角度θ_x和θ_x分别是钻孔倾斜后与铅直方向在x-z和y-z平面内的夹角，L为探头的高度。

按上述技术方案，所述探头的高度为500mm。

本发明产生的有益效果是：该装置通过CCD图像传感器接受激光陀螺发射的竖直激光束，并将激光束的水平位置信息转换为数字信号发送给计算机，其受外界因素干扰小，稳定性更好，而且CCD图像传感器接收激光信号比传统电测法的精度更高，传统电测法精度一般在0.1mm/500mm附近，而最常用的CCD图像传感器1mm²可以达到400×400个像素点，精度较电测法可提高40倍，同时，该装置还通过设置于井上的刻度齿轮实时控制、读取和记录探头下放高度，具有较强的连续性，该装置对测量数据进行处理得到位移曲线，这样可以得到任一下放高度的变形坐标，以得到每个高程由于地层应力变化造成的位移偏移值。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例中测斜导管的结构示意图；

图3是本发明实施例中探头的结构示意图。

图中：1-探头、101-激光陀螺、102-CCD图像传感器、103-滚轮、104-密闭壳体、2-测斜导管、201-导槽、3-刻度齿轮、4-计算机、5-绞绳。

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。

如图1-图3所示，一种基于光学原理的测斜装置，该装置包括设置在预埋钻孔内的测斜导管2，测斜导管2的内壁沿轴向均匀开设有多组导槽201，该装置还包括井下测斜机构和井上测高机构；

井下测斜机构包括设置在测斜导管2内的探头1，探头1包括密闭壳体104、激光陀螺101和CCD图像传感器102，激光陀螺101设置在密闭壳体104的顶部中央、且向下发射竖直激光束，CCD图像传感器102设置在密闭壳体104的底部，密闭壳体104的外壁安装有与多组导槽相对应的滚轮103；

井上测高机构包括相连接的刻度齿轮3和计算机4，刻度齿轮3通过绞绳5与密闭壳体104的顶部连接，计算机4与CCD图像传感器102连接；

测量时，先将探头1底端与测斜导管2的入口处持平，记录此时刻度齿轮3的读数，再将探头1通过滚轮103和导槽201平稳下放一个高度Δz，探头1下放的高度Δz通过刻度齿轮3的读数得出，激光陀螺101向下发射的竖直激光束投射到CCD图像传感器102上，CCD图像传感器102通过其接收板上的刻度实时读出激光束的水平位置信息Δx和Δy，并将该位置信息发送给计算机存储，如此直至将探头1下放到测斜导管2的底部，探头1每下方一个高度Δz，其对应的激光束的水平位置信息记为Δx(z)和Δy(z)，由此可得在任一高度z激光的位置偏差Δx和Δy，并据此绘制激光束的水平偏移曲线，其中，

$x={\∫}_0^z{\mathrm{sin\θ}}_{x}dz\≈{\∫}_0^z\frac{\∂x}{\∂z}dz\≈\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{\Δ}x}{L}\mathrm{\Δ}z---\left(1\right),$

$y={\∫}_0^z{\mathrm{sin\θ}}_{y}dz\≈{\∫}_0^z\frac{\∂y}{\∂z}dz\≈\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{\Δ}y}{L}\mathrm{\Δ}z---\left(2\right),$

其中，倾斜角度θ_x和θ_x分别是钻孔倾斜后与铅直方向在x-z和y-z平面内的夹角，L为探头的高度。

在本发明的优选实施例中，探头的高度L为500mm。

本发明的工作原理是：

1)、将探头1的滚轮103沿着测斜导管2的导槽201放入，探头1顶板上有绞绳5与刻度齿轮3相连，探头1下放的高度可由刻度齿轮3两次下放的读数相减精确读出，并将数据传送给计算机4；

2)、将探头1的底端放置在测斜导管2的入口处，与入口持平，此时记录刻度齿轮3的初始读数，沿着测斜导管的导槽201缓慢平稳地下放探头1，位于探头1顶板中央的激光陀螺101垂直发射激光束到CCD图像传感器102上，CCD图像传感器102的接收板上有精准的刻度可以精准读出实时倾斜读数(Δx,Δy)，CCD传感器上的每个像素都可以定位，因此可以对出激光束的位置偏差Δx和Δy及其光强，由位于CCD图像传感器102将读出的数字信号传递给计算机4，计算机上设有数据采集卡，激光投射在CCD图像传感器上的信号通过数据线传输到数据采集卡上，数据采集卡读取信号，计算机4每间隔刻度齿轮3读出的高度Δz存储一次(Δx,Δy)，并运用公式(1)和(2)计算此时的偏斜位移(x,y)，直至下放到导管底部；

3)、由计算机4将存储的每个高度z的偏斜位移(x,y)绘制偏移曲线，此时即可得到每个高度的偏斜水平位移和倾斜角度。

本发明中，公式(1)和(2)的分析过程为：

在确定好x方向和y方向的方位后，探头所处的每一个高度z均可读出一个读数(Δx,Δy)，那么，Δx和Δy是关于高度z的函数，记为：Δx(z)和Δy(z)，在下发放刻度齿轮的同时，每隔一定高度Δz读一次读数，那么可得任一高度z在变形后的坐标：

$x={\∫}_0^z{\mathrm{sin\θ}}_{x}dz\≈{\∫}_0^z\frac{\∂x}{\∂z}dz\≈\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{\Δ}x}{L}\mathrm{\Δ}z---\left(1\right),$

$y={\∫}_0^z{\mathrm{sin\θ}}_{y}dz\≈{\∫}_0^z\frac{\∂y}{\∂z}dz\≈\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{\Δ}y}{L}\mathrm{\Δ}z---\left(2\right).$

本发明不局限于铅直钻孔，可以通过调整激光束的初始方向，得到任意倾斜钻孔的变形曲线。

本发明可用于观测土石坝、堤防、土体边坡、建筑物基坑、地下建筑工程土体内部的倾斜角度变化和水平位移变化，其结构简单，操作方便，可广泛应于于铁路、港口、公路、水利、高层建筑等众多岩土工程领域中。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于光学原理的测斜装置，该装置包括设置在预埋钻孔内的测斜导管，所述测斜导管的内壁沿轴向均匀开设有多组导槽，其特征在于，该装置还包括井下测斜机构和井上测高机构；

所述井下测斜机构包括设置在所述测斜导管内的探头，所述探头包括密闭壳体、激光陀螺和CCD图像传感器，所述激光陀螺设置在所述密闭壳体的顶部中央、且向下发射竖直激光束，所述CCD图像传感器设置在所述密闭壳体的底部，所述密闭壳体的外壁安装有与所述多组导槽相对应的滚轮；

所述井上测高机构包括相连接的刻度齿轮和计算机，所述刻度齿轮通过绞绳与密闭壳体的顶部连接，所述计算机与CCD图像传感器连接；

测量时，先将探头底端与测斜导管的入口处持平，记录此时刻度齿轮的读数，再将探头通过滚轮和导槽平稳下放一个高度Δz，探头下放的高度Δz通过刻度齿轮的读数得出，激光陀螺向下发射的竖直激光束投射到CCD图像传感器上，CCD图像传感器通过其接收板上的刻度实时读出激光束的水平位置信息Δx和Δy，如此直至将探头下放到测斜导管的底部，探头每下方一个高度Δz，其对应的激光束的水平位置信息记为Δx(z)和Δy(z)，由此可得在任一高度z激光的位置偏差Δx和Δy，并据此绘制激光束的水平偏移曲线，其中，

$x={\∫}_0^z{\mathrm{sin\θ}}_{x}dz\≈{\∫}_0^z\frac{\∂x}{\∂z}dz\≈\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{\Δ}x}{L}\mathrm{\Δ}z---\left(1\right),$

$y={\∫}_0^z{\mathrm{sin\θ}}_{y}dz\≈{\∫}_0^z\frac{\∂y}{\∂z}dz\≈\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{\Δ}y}{L}\mathrm{\Δ}z---\left(2\right),$

其中，倾斜角度θ_x和θ_x分别是钻孔倾斜后与铅直方向在x-z和y-z平面内的夹角，L为探头的高度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探头的高度为500mm。