CN105865418B - 一种智能的建筑物倾斜检测预警装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能的建筑物倾斜检测预警装置及检测方法，包括激光发射器、激光接收器、水平校正激光球、水平校正激光靶、步进电机、电路板、GSM天线、支架、外壳；通过激光发射和接收的时间差和光速即可测得装置与建筑物某两点的距离，然后利用三角形余弦定理和正弦定理，可求得建筑物与水平面的夹角。其中水平校正激光球始终发射水平激光，水平校正激光靶跟随外壳旋转，两者用来校正外壳是否水平，步进电机用来精确控制外壳的旋转角度。当测得建筑物与水平夹角接近危险值时，通过GSM天线向后台发送预警信号。本发明无需在建筑物上施加辅助器件，并且利用GSM网络实时将数据直接传递到后台，对于整个建筑行业和监管部门的工作都会起到极大的推动作用。

Description

一种智能的建筑物倾斜检测预警装置及检测方法

技术领域

本发明涉及建筑设备安全监测领域，特别是涉及一种智能的建筑物倾斜检测及预警装置、检测方法。

背景技术

建筑物出现倾斜现象的原因可分为外界原因和人为原因：

外界原因包括质地灾害、气象灾害等，例如地震、火山、地陷等地质灾害，地球板块发生移动或断裂，会破坏建筑物原有的地基结构，导致建筑物倾斜甚至倒塌；人为原因主要包括随意开采资源导致的泥石流、滑坡、地面塌陷，建筑物设计不合理，建设过程中使用不合格材料等，这些都会导致建筑物倾斜。

近年来建筑物出现倾斜导致事故的新闻有很多，《建筑设计规范》、《建筑工程施工质量验收标准》等条文中均有对建筑物倾斜的规定和测量方法。当建筑物出现倾斜现象后，根据《民法通则》第八十三条“不动产的相邻各方，应当按照有利生产、方便生活、团结互助、公平合理的精神，正确处理截水、排水、通行、通风、采光等方面的相邻关系。给相邻方造成妨碍或者损失的，应当停止侵害，排除妨碍，赔偿损失”和《物权法》中“建造建筑物不得违反国家有关工程建设标准，妨碍相邻建筑物的通风、采光和日照”等法规处理问题，最严重的后果是房屋倾斜已经危害或损害人民生命财产安全，这会严重到影响社会的稳定发展。

为防止房屋倾斜造成危害的现象一再发生，很多研发机构已经开发了房屋倾斜监测等设备或系统，对建筑物变形监测起到了一定的效果，但是目前的房屋倾斜监测设备均沿用传统思路设计，通过在建筑物关键位置安装传感器或者使用笨重的机械测量器具来检测建筑倾斜数据，前者成本非常高，后者使用极不方便。

所有测量工具的本质是利用了数学原理，但是能够利用较高级数学知识巧妙解决实际问题的设计极少。假若能够发明一种可靠实用的检测装置，将巧妙的数学原理应用到建筑物的倾斜检测上，这对于整个建筑行业和监管部门的工作都会起到极大的推动作用，对于社会的稳步发展和人民安居乐业具有长远的意义。

发明内容

为了实现快速有效的检测建筑物变形情况，本发明提供一种智能的建筑物倾斜检测预警装置及检测方法，它安全可靠，巧妙利用数学定理，结合激光发射接收设备，工作人员可以快速的对建筑物的倾斜情况进行测量，根据长期记录的检测数据的分析，对建筑物的倾斜状况进行危险预警。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种智能的建筑物倾斜检测预警装置，其特征在于：它包括激光发射器、激光接收器、水平校正激光球、水平校正激光靶、步进电机、电路板、GSM天线、支架、外壳；

所述激光发射器和激光接收器安装在外壳上，激光发射器和激光接收器至步进电机输出轴中心的连线与所述输出轴轴线垂直；

所述水平校正激光球和水平校正激光靶安装在外壳的底部；

所述步进电机安装在支架顶部，步进电机输出轴上固定连接外壳；

所述电路板安装在支架的底面上，所述GSM天线安装在电路板上；

所述电路板内包含计时器、MCU处理器、存储器、SIM卡、GSM通讯电路。

进一步地，所述激光发射器和激光接收器安装在外壳的头部。

进一步地，所述水平校正激光球靠近外壳尾部，水平校正激光靶靠近外壳头部，两者位于同一直线上。

进一步地，所述水平校正激光球在外壳上的安装方式为：在外壳底部固定有一U形挂杆，所述水平校正激光球的下端为球体，上端为一套环结构，所述套环结构套在U形挂杆上，能环绕U形挂杆做旋转动作。

进一步地，所述水平校正激光球的球体内部填充有铅金属。

进一步地，所述外壳的尾部开设有通孔，通孔内表面沿轴向切割有数个通槽，各通槽绕轴线均匀分布，所述步进电机的输出轴上沿轴向加设有数个筋条，恰好与外壳通孔中的通槽相啮合。

进一步地，所述计时器记录激光发射器发射激光的时间和激光接收器接收激光的时间，MCU处理器根据激光收发的时间差，根据激光的传输速度c=299792458米/秒，运算出装置距离目标物的距离；所述存储器用来储存时间、距离数据；所述SIM卡被预先安装在电路板中，通过GSM通讯电路和GSM天线将数据和预警信号发送给后台。

进一步地，所述步进电机由MCU处理器控制，MCU处理器每发送一个脉冲给步进电机，步进电机转动一定角度；所述脉冲分为正、负脉冲。

一种利用所述的装置进行的检测方法，包括如下步骤：

1）将装置固定在距检测建筑物一定距离不动；在建筑物上取两点，一个定义为基准点，一个定义为目标点，设基准点与目标点之间的距离为c；

2）开启电源后，启动步进电机，首先控制外壳旋转，直到水平校正激光靶接收到水平校正激光球所发出的激光为止；

3）然后将激光发射器对准基准点，利用激光发射器和激光接收器发射和接收光的时间差来计算装置距检测建筑物基准点的距离b；

4）然后再控制外壳旋转一定角度C，利用激光发射器和激光接收器发射和接收光的时间差来计算装置距检测建筑物目标点的距离a；

5）建筑物基准点、目标点与装置之间组成一个三角形，根据三角函数中的余弦定理c^2=a^2+b^2-2ab*cosC，已知a、b、C，求得c；

6）再根据三角函数中的正弦定理a/sinA=b/sinB=c/sinC，已知边长a，b，c，夹角C，即可求得夹角A和夹角B，其中夹角A即为建筑物基准点至目标点之间的连线与建筑物基准点至装置之间的连线的夹角，当建筑物基准点至装置之间的连线为水平时，夹角A即为建筑物与水平面的夹角；

7）根据不同时间测得的A，即可通过前、后时间A的变化判断建筑物是否发生倾斜，当倾斜程度接近建筑规范中的危险值时，MCU处理器就会向后台发送预警信号。

进一步地，可按照1）～6）的流程，在一次测量中，重复多次测量A值，分别记为A1、A2，…An，然后取其平均值。

本发明提供了一种智能的建筑物倾斜检测预警装置及检测方法，具有如下优点：

（1）克服了在建筑物特殊位置安装传感器的常见思路，仅安装电机和激光器，成本低廉操作简单；

（2）避开了传统测量装置笨拙误差大的缺点，轻便且数据准确；

（3）巧妙结合数学原理和激光特性，并且实现智能化控制。

所以，这种智能的建筑物倾斜检测及预警装置能方便的用于建筑物的倾斜检测，无需在建筑物上施加其它辅助器件，并且利用GSM网络实时将数据直接传递到后台，这对于整个建筑行业和监管部门的工作都会起到极大的推动作用，对于社会的稳步发展和人民安居乐业具有长远的意义。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明一种智能的建筑物倾斜检测及预警装置的头部视角装配图。

图2是本发明一种智能的建筑物倾斜检测及预警装置的尾部视角装配图。

图3是本发明一种智能的建筑物倾斜检测及预警装置的拆解示意图。

图4是本发明一种智能的建筑物倾斜检测及预警装置的水平校正激光发射球的结构示意图。

图5是本发明一种智能的建筑物倾斜检测及预警装置的水平校正激光靶的结构示意图。

图6 是本发明一种智能的建筑物倾斜检测及预警装置的电路板内部元件关系图。

图7是本发明一种智能的建筑物倾斜检测及预警装置的检测数学原理图。

图8是本发明一种智能的建筑物倾斜检测及预警装置的检测流程图。

图中标号：1-激光发射器、2-激光接收器、3-水平校正激光球、4-水平校正激光靶、5-步进电机、6-电路板、7-GSM天线、8-支架、9-外壳。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明一种智能的建筑物倾斜检测及预警装置作进一步的详细描述，但本发明保护范围并不限定于此。

如图1、2所示，一种智能的建筑物倾斜检测及预警装置，比较具体地讲，主要包括激光发射器1、激光接收器2、水平校正激光球3、水平校正激光靶4、步进电机5、电路板6、GSM天线7、支架8、外壳9。

支架8呈L型，包括竖直部分和水平部分，步进电机5通过螺栓固定在支架8的竖直面上，电路板6安装在支架8的水平面上。GSM天线7安装在电路板6上，电路板6下侧安装有可充电电池，为整个装置提供能源；进一步地，在电路板6外加罩体保护。

外壳9安装在步进电机5的输出轴上，输出轴呈水平。进一步讲，在外壳9的尾部开设的穿轴通孔，在通孔内表面沿轴向切割有数个通槽，通槽绕轴线均匀分布，与此对应地在步进电机5的输出轴上沿轴向加设有数个筋条，如图3所示，恰好与外壳9通孔中的通槽相啮合，由此加强电机输出轴与外壳之间的连接，使输出轴能够平稳带动外壳旋转。

激光发射器1和激光接收器2安装在外壳9的头部，激光发射器1靠近上侧，激光接收器2靠近下侧。水平校正激光球3和水平校正激光靶4安装在外壳9的底部，其中水平校正激光球3靠近外壳尾部，水平校正激光靶4靠近外壳头部，两者位于同一直线上。

如图6所示，电路板6内包含有计时器、MCU处理器、存储器、SIM卡、GSM通讯电路。计时器用来记录激光发射器1发射激光的时间和激光接收器2接收到激光的时间；MCU处理器根据激光发射与接收的时间差运算出本装置距离目标物的距离；存储器用来储存时间、距离数据；SIM卡被预先安装在电路板中，通过GSM通讯电路和GSM天线将数据和预警信号发送给后台。步进电机5也由MCU处理器控制。

本发明中，激光发射器1和激光接收器2是用来向目标点正常发射激光和接收激光信号的，所以将激光发射器1和激光接收器2安装在外壳9上，可以随外壳有相同角度的摆动，安装时需要保证激光发射器1和激光接收器2至电机输出轴中心的连线与输出轴轴线垂直。

水平校正激光球3是用来始终保证发射一束水平激光的，所以它必须不随外壳9的转动而转动。为了随时调整这种变化的角度，进一步讲，所述水平校正激光球3在外壳9上的安装方式可为：如图4和图5所示，在外壳9靠近尾部的底侧固定有一U形挂杆（根据材质的不同可焊接，或粘接），水平校正激光球3的下端为球体，上端为一套环结构，水平校正激光球3上端的套环结构套在U形挂杆上，仅能环绕U形挂杆做旋转动作。

如图1和图5所示，所述水平校正激光靶4与外壳9固定在一起，与壳体9的相对位置不会改变，靶心处安装有激光接收元件，当外壳9处于水平状态时，水平校正激光球3上发出的激光恰好可以照射到激光接收元件上，由此用来校正外壳是否水平。

进一步讲，所述水平校正激光球3的球体内部填充有铅金属，所以由于重力作用，水平校正激光球3始终会处于竖直悬挂状态，球体前端安装有小功率的激光发射元件，发出的激光始终水平向前，不会随着外壳9的旋转而改变。水平校正激光球3和水平校正激光靶4较佳的安装位置是在外壳9的底部，这样可以方便地调整水平校正激光球3的角度，同时也适应球体的自重。

进一步讲，所述步进电机5由MCU处理器控制，MCU处理器每发送一个正脉冲给步进电机5，步进电机5随即正向转动一定角度；MCU处理器每发送一个负脉冲给步进电机5，步进电机5随即反向转动一定角度；所以MCU处理器通过控制正负脉冲数量，即可控制外壳9的旋转角度，进而控制外壳9头部的激光发射角度，每一个脉冲对应的角度可在MCU处理器中通过程序设定。

激光是六十年代发展起来的一项新技术，它是一种颜色很纯、能量高度集中、方向性很好的光，通过测定激光开始发射到激光从目标反射回来的时间即可计算出测定的距离。激光的传输速度c=299792458米/秒，假设激光发射时间为t1，激光经过建筑物反射后接收时间为t2，那么装置距离目标物的距离S=c*(t2-t1)/2。

本发明的检测原理就是应用了激光技术和数学中的三角函数原理。

为便于说明，如图7所示，假设装置固定在某一位置不动，装置距建筑物根部一点的水平距离b，可利用激光发射器1和激光接收器2发射光和接收光的时间差来计算。

在建筑物上部取一点为目标点，让激光发射器1始终捕捉该点发射，利用激光发射器1和激光接收器2发射光和接收光的时间差计算出装置到目标点的距离a。

在调整激光发射器1的过程中，外壳9就会发生一定角度的旋转，记为角度C（即建筑物基准点至装置之间的连线与装置至目标点之间的连线夹角）。

在以上过程中，存储器中记录有上述水平距离b、倾斜距离a、旋转角度C，根据数学三角形常用标记方法，建筑物基准点、目标点与装置之间组成一个三角形，其中设：

建筑物基准点至目标点之间的连线与目标点至装置之间的连线夹角设为B，建筑物基准点至目标点之间的连线与建筑物基准点至装置之间的连线夹角设为A（即建筑物与水平面间的夹角），建筑物基准点与目标点之间的距离为c，则有：

1）根据三角函数中的余弦定理c^2=a^2+b^2-2ab*cosC，已知两边a, b及其夹角C，即可求得两束激光之间的建筑物长度c；

2）根据三角函数中的正弦定理a/sinA=b/sinB=c/sinC，已知边长a，b，c，夹角C，即可求得夹角A和夹角B，其中夹角A即为建筑物与水平面的夹角。

利用上述原理，在本发明在使用时，就可按照如下步骤操作，如8所示：

第一步，开启电源后，首先启动步进电机5进行外壳9的水平校正工作，MCU处理器控制外壳9旋转，直到水平校正激光靶4接收到水平校正激光球3所发出的激光时停止；

第二步，然后控制激光发射器1向建筑物基准点发送激光，在激光接收器2接收到激光后，MCU处理器随即计算出了装置距离建筑物的水平距离b；

第二步，MCU处理器控制外壳9头部向上旋转，旋转到一定角度C后停止，控制激光发射器1向建筑物目标点发送倾斜激光，在激光接收器2接收到激光后，MCU处理器随即计算出了装置距离建筑物目标点的倾斜距离a；

第三步，利用公式c^2=a^2+b^2-2ab*cosC，a/sinA=b/sinB=c/sinC计算建筑物与水平面的夹角A。

进一步地，为了获得建筑物的准确的倾斜角度，多次重复上述流程，取不同旋转角度下测得的建筑物与水平面的夹角，记为A1、A2，…An，通过求其平均值，即可获得更加可靠的倾斜夹角数据A。当倾斜程度接近建筑规范中的危险值时，MCU处理器就会向后台发送预警信号。

通常建筑物的倾斜不是突然发生的，而是需要多年或者更长时间，根据记录的检测时间和当时的倾斜角A，可以建立两者的数学关系曲线，根据曲线还可以对未来时间里建筑物的倾斜程度加以预测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能的建筑物倾斜检测预警装置，其特征在于：它包括激光发射器(1)、激光接收器(2)、水平校正激光球(3)、水平校正激光靶(4)、步进电机(5)、电路板(6)、GSM天线(7)、支架(8)、外壳(9)；

所述激光发射器(1)和激光接收器(2)安装在外壳(9)上，激光发射器(1)和激光接收器(2)至步进电机(5)输出轴中心的连线与所述输出轴轴线垂直；

所述水平校正激光球(3)和水平校正激光靶(4)安装在外壳(9)的底部；

所述步进电机(5) 安装在支架(8)顶部，步进电机(5)输出轴上固定连接外壳(9)；

所述电路板(6) 安装在支架(8)的底面上，所述GSM天线(7)安装在电路板(6)上；

所述电路板(6)内包含计时器、MCU处理器、存储器、SIM卡、GSM通讯电路。

2.根据权利要求1所述的智能的建筑物倾斜检测预警装置，其特征在于：所述激光发射器(1)和激光接收器(2)安装在外壳(9)的头部。

3.根据权利要求1所述的智能的建筑物倾斜检测预警装置，其特征在于：所述水平校正激光球(3)靠近外壳(9)尾部，水平校正激光靶(4)靠近外壳(9)头部，两者位于同一直线上。

4.根据权利要求1或3所述的智能的建筑物倾斜检测预警装置，其特征在于：所述水平校正激光球(3)在外壳(9)上的安装方式为：在外壳(9) 底部固定有一U形挂杆，所述水平校正激光球(3) 的下端为球体，上端为一套环结构，所述套环结构套在U形挂杆上，能环绕U形挂杆做旋转动作。

5.根据权利要求4所述的智能的建筑物倾斜检测预警装置，其特征在于：所述水平校正激光球(3)的球体内部填充有铅金属。

6.根据权利要求1所述的智能的建筑物倾斜检测预警装置，其特征在于：所述外壳(9)的尾部开设有通孔，通孔内表面沿轴向切割有数个通槽，各通槽绕轴线均匀分布，所述步进电机(5)的输出轴上沿轴向加设有数个筋条，恰好与外壳(9)通孔中的通槽相啮合。

7.根据权利要求1所述的智能的建筑物倾斜检测预警装置，其特征在于：所述计时器记录激光发射器(1) 发射激光的时间和激光接收器(2)接收激光的时间，MCU处理器根据激光收发的时间差，根据激光的传输速度c=299792458米/秒，运算出装置距离目标物的距离；所述存储器用来储存时间、距离数据；所述SIM卡被预先安装在电路板中，通过GSM通讯电路和GSM天线将数据和预警信号发送给后台。

8.根据权利要求1所述的智能的建筑物倾斜检测预警装置，其特征在于：所述步进电机(5)由MCU处理器控制，MCU处理器每发送一个脉冲给步进电机(5)，步进电机(5)转动一定角度；所述脉冲分为正、负脉冲。

9.一种利用权利要求1-8之一所述的智能的建筑物倾斜检测预警装置的检测方法，其特征在于：

1）将装置固定在距检测建筑物一定距离不动；在建筑物上取两点，一个定义为基准点，一个定义为目标点，设基准点与目标点之间的距离为c；

2）开启电源后，启动步进电机(5)，首先控制外壳(9)旋转，直到水平校正激光靶(4)接收到水平校正激光球(3)所发出的激光为止；

3）然后将激光发射器(1)对准基准点，利用激光发射器(1)和激光接收器(2)发射和接收光的时间差来计算装置距检测建筑物基准点的距离b；

4）然后再控制外壳(9)旋转一定角度C，利用激光发射器(1)和激光接收器(2)发射和接收光的时间差来计算装置距检测建筑物目标点的距离a；

5）建筑物基准点、目标点与装置之间组成一个三角形，根据三角函数中的余弦定理c^2=a^2+b^2-2ab*cosC，已知a、b、C，求得c；

6）再根据三角函数中的正弦定理a/sinA=b/sinB=c/sinC，已知边长a，b，c，夹角C，即可求得夹角A和夹角B，其中夹角A即为建筑物基准点至目标点之间的连线与建筑物基准点至装置之间的连线的夹角，当建筑物基准点至装置之间的连线为水平时，夹角A即为建筑物与水平面的夹角；

7）根据不同时间测得的A，即可通过前、后时间A的变化判断建筑物是否发生倾斜，当倾斜程度接近建筑规范中的危险值时，MCU处理器就会向后台发送预警信号。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于：按照1）～6）的流程，在一次测量中，重复测量A值，分别记为A1、A2，…An，然后取其平均值。