CN106679618B - 建筑结构远程多功能监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑结构远程多功能监测系统，包括固定桩体，固定桩体底部一侧设置有固定连接的水平刚性底座，底座上通过伺服电机支撑有支撑台，支撑台上通过旋转马达连接有望远镜，望远镜上设置有热源感应器、十字丝和激光测距器，与望远镜的目镜相对应设置有摄像头；支撑台上设置有双轴倾角传感器，支撑台底部设置有与其相接触的千分表，千分表下部设置于强磁铁上，强磁铁固定于水平刚性底座上；与望远镜的自动调焦镜头相对应地设置有标尺，标尺顶部设置有热源，标尺底部固定于基准球上，标尺上还设置有感应灯；前述电器元件均通过数据线与信号采集控制器相连，信号采集控制器与数据处理终端相连。本发明同时还公开了利用系统的监控调节方法。

Description

建筑结构远程多功能监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及一种土木建筑施工技术领域，涉及安全施工及运营中的沉降、水平位移、高程、水平距离测量，尤其是一种建筑结构远程多功能监测系统及监测方法。

背景技术

沉降的准确、即时测量是建筑结构顺利施工的重要保障。此外，在建筑运营的过程中，尤其是运营初期，沉降的准确测量同样是关乎建筑安全的一项重要指标。为了能够准确反映出建筑物的准确沉降情况，需要在建筑物的构件内设置均匀分布的沉降观测点。目前比较老的技术是使用较多的是普通锚钉观测点，多为外露式，容易生锈等，使用寿命短，返修率高，而且外形不好看。也有一些改进技术，就是给观测点增加保护壳，但是，现有建筑物讲究外表的美观，尤其是很多高档住宅，对沉降观测标志的装饰性提出了更高的要求。因此目前广泛使用的安装在外立面的旧式的普通锚钉观测点已经不能满足很多工程外立面品质要求。此外现有的设备功能比较单一，只能完成沉降、水平位移、水平角度、高程、距离中的一种或者少数集中，能够独立完成所有功能的设备未见报道。

目前设备测量仍然无法摆脱人力的限制，这不但增加测量的误差，而且数据采集密度很低。

而且传统的沉降观测采用全站仪、水准仪、倾角仪等设备，采用几何水准、精力水准、垂直传高和三角高程相结合的方法进行，设备昂贵、操作复杂，操作人员专业要求高且每次测量均需要至少两名操作人员，这样进行建筑物沉降观测花费是非常不经济的。

中国专利ZL98224523.8公开了一种便携式多功能测量仪，包括仪器架、激光架、铅垂调整装置、水平调整装置、刻度盘、计算器、罗盘、铅垂，激光器平行安置在仪器架上部，系线与铅垂相连，水平调整装置安置在仪器架底部。该装置主要依靠螺旋，罗盘以及铅垂来控制仪器架的水平和垂直；与机架相连的激光发射装置的水平状态，主要依赖机械制造过程中的控制，智能化程度不高，而且铅垂等控制垂直存在着观测误差。

中国专利申请201110382820.8公开了一种用于检测建筑物沉降的管理系统及方法，采用几何光学原理,利用脉冲激光束作为检测信号源，在被检测建筑物上安装激光发射设备和激光接收设备，在另一不具备地理和空间变化随意性的地点或者建筑物上安装激光反射设备，安装时将来自被检测建筑物的激光束反射回安装在被检测建筑物的激光接收设备，并控制好光斑半径和激光接收设备的采集窗口半径后，即可对激光束进行检测，当任何一方建筑物发生相对位移，位移便能被检测到，然后通过无线信号传输模块传输到控制管理平台。沉降量和沉降速率是沉降测量里最为关心的，使用该装置时，发生沉降现象，光线也发生偏移，但仅能确定是否偏移，不能测出精确的偏移量，也不能智能纠正建筑物的沉降，实用性和适用范围都受到限制。

中国专利ZL201520744029.0公开了一种激光测量建筑物沉降装置包括带刻度的平面镜、激光发射器、水平固定于原始地面和沉降后地面上的平面镜和竖直固定于被测建筑物外墙面上的平面镜，激光发射器发射的激光入射角为α，带刻度的平面镜与地面的夹角为90°-α，其中，0°<α<90°，竖直固定于被测建筑物外墙面上的平面镜固定于能接收到反射光线的位置。该装置利用平面镜反射原理，由于建筑的沉降量往往是较小的值，所以仪器的任何误差都会对结果有一定影响。利用镜面反射放大沉降量的同时也不断放大和传递了误差，保证放大效果就对于反射镜面和激光发射器要求极高，会大大增加设备的费用。因此其专利或者无法保证镜面的工艺要求而实用性低，或者在提高了镜面平整度后使设备非常昂贵。而且其需要保证两次测量镜面的角度和激光发射角度保持不变，这在施工和操作上很复杂。

中国专利申请201510093449.1公开了一种用于建筑物施工及运营期沉降和收敛的在线监测方法，在拱顶沉降点安装反射板，可调节水平；拱腰处安装激光位移传感器I和激光位移传感器II，沉降点下方竖直安装激光位移传感器III；其中拱腰处激光位移传感器I向上射出激光并与竖直放置的激光位移传感器III射出的激光相交于反射板上一点；拱腰处激光位移传感器II水平射出激光与竖直放置激光位移传感器III水平相交；记录三角形AB边，AC边的长；移走激光位移传感器III，进入测试状态；当顶部沉降时，三角形AB边长度则变为BD，通过相似三角形性质定理，可得出CE长度，沉降尺寸AE=AC-CE；拱腰收敛则通过激光位移传感器II，测量BF长度，当BF长度变化为BF’时，则收敛=BF-BF’。为了保证其相似三角形的可靠性以及激光光路的稳定性，该装置测量环境假定为隧道或其他拱形观测物仅发生竖直以及侧向方向上的位移，而建筑剖切面并没有发生变形的情况，并不特别适用于常见的各类住宅、厂房等建筑物变形情况。

并且通过检索在国内并没有发现同类的组合利用倾角传感器、伺服电机、位移传感器等先进技术的专利，也没有同类专利可以测量建筑结构的多种位移和位置参数。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的建筑物沉降测量结构测量操作复杂、难以永久保存、成本高以及测量数据获取麻烦、数据不准确、不能连续测量、不能自动化、不能远程控制的问题，提供一种建筑结构远程多功能监测系统及监测方法，该系统结构简单、耐久性强、精度高、自动化程度高、经济实用、更加智能，其监测方法更加方便、数据准确、能够长时间保存数据、能够连续测量。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种建筑结构远程多功能监测系统，包括一竖直设置的固定桩体，固定桩体底部一侧设置有与其固定连接的水平刚性底座，所述底座上通过竖向设置的伺服电机支撑有支撑台，支撑台上通过旋转马达连接有横向设置的望远镜，望远镜上设置有热源感应器、十字丝和激光测距器，与望远镜的目镜相对应设置有一摄像头；

所述支撑台上设置有双轴倾角传感器，支撑台底部设置有与其相接触的千分表，千分表下部设置于强磁铁上，强磁铁固定于水平刚性底座上；

与望远镜的自动调焦镜头相对应的设置有一竖向的标尺，标尺的顶部设置有热源，标尺底部固定于基准球上，标尺上还设置有感应灯；

所述摄像头、千分表、伺服电机、双轴倾角传感器、旋转马达、激光测距仪、自动调焦镜头和热源感应器均通过数据线与信号采集控制器相连，信号采集控制器与数据处理终端相连。

所述固定桩体为混凝土柱，混凝土柱提供监测基准点，并提供安装设备的平台。

所述伺服电机有三个，三个伺服电机分别通过球铰与支撑台底部相连，伺服电机用于升降支撑台，球铰配合竖向伺服电机灵活的升降支撑台。

所述三个伺服电机成等腰三角形布置，且等腰三角形的高等于底边长度。

所述双轴倾角传感器的纵向投影处于三个伺服电机组成的等腰三角形的中心处。

所述望远镜外部中间位置通过一旋转马达连接于支撑台上，旋转马达动作能够使望远镜旋转。

所述固定桩体和水平刚性底座组合后呈L形设置，处于刚性底座上部的伺服电机、支撑台、千分表、强磁铁、望远镜、摄像头和信号采集控制器被一个密封的透明罩罩住，即除了标尺、热源、基准球、感应灯和数据处理终端外，前述所有部件均在透明罩中，透明罩起到防风、防雨和防护作用。

所述基准球为硬质不锈钢球，基准球下部和钢筋相连，钢筋则由混凝土浇筑密封成螺旋体。

所述数据处理终端为手机或电脑。

利用建筑结构远程多功能监测系统的监测方法，包括沉降监测、水平角度及水平位移监测和高程及水平距离监测；

A.沉降监测，步骤如下：

1）将建筑结构远程多功能监测系统安装完毕，使望远镜十字丝水平线对准标尺上的0点处横刻线，该位置称为原位置，信号采集控制器会记下此时千分表数值m1；

2）一段时间过后，标尺必然会随着基准球出现相同的沉降，假设沉降数值为Δ，假设此时望远镜十字丝水平线对准标尺中的01点水平刻线；

3）再次使望远镜十字丝再次对准0点处横刻线，同理信号采集控制器会记下此时千分表数值m2；

4）沉降数值m2-m1会显示在数据处理终端中，最后保存含时间的沉降数据；

B. 水平角度及水平位移监测，步骤如下：

1）将建筑结构远程多功能监测系统安装完毕，先使两台望远镜相互对准，利用激光测距仪测出两台望远镜底部基准点之间的水平距离ab，并将水平距离ab作为基准线，a、b点分别为两台望远镜底部相同位置的基准点；

2）再次使两台望远镜十字丝竖直线对准标尺上的c点处竖刻线，该位置称为原位置，信号采集控制器会记下此时ac、bc与水平距离ab的夹角θ1和θ2，此时便完成了水平角度的测量；

3）利用余弦定理，得到ac和bc的长度，再利用三角函数则课得到ad和cd的长度，d点为c点竖直向下与ab之间的垂直交点，若以a为原点，以ab的方向为X正方向以a点向上建立坐标系，那么c点的坐标为（ad，dc）；

4）当测点c的位置出现水平移动，假设移动到c1位置，同理，信号采集控制器会记下此时ac1、bc1与水平距离ab的夹角为θ1ˊ和θ2ˊ；

5）利用余弦定理，得到ac1和bc1的长度，再利用三角函数则课得到ae和c1e的长度，e点为c1点竖直向下与ab之间的垂直交点，若以a为原点，以ab的方向为X正方向以a点向上建立坐标系，那么 c1的坐标为（ae，ec1）；

6）测点的位移为（ae-ad，ec1-dc），至此便完成了水平位移的测量；

C. 高程及水平距离监测

假设对准标尺上的c点进行测量，使望远镜的十字丝对准目标点c，由双轴倾角传感器得到水平角度及水平位移监测中的θ1，由激光测距仪得到ac的距离D，则高程H和水平距离L的算法如下：

H = D×sinθ1

L = D×cosθ1。

本发明的平台控制原理为：

平台控制系统主要用来调节望远镜平台的水平状态，从而保证望远镜在转动和静止时都能保证处于水平或者Y向倾斜（望远镜一直沿Y向）状态，这个过程是系统准确工作的前提条件。该系统主要由伺服电机E、F、G，双向倾角传感器和终端组成，且EG和FG的距离相等，EF电机之间的距离为L，G到EF的距离也为Ｌ。

水平面控制原理如下可以分成两个部分来阐述：水平控制原理和Y向倾斜控制原理。

首先介绍水平控制原理。若望远镜底部平台处于倾斜状态，测量的数据是不可采信的，此时需要对平台进行水平调整。假设平台在X和Y向的倾角分别为θx和θy。此时E与F的高差为L*cosθx，EF中点与Ｇ的高差为为L*cosθｙ。先启动终端中E、F对应的快、慢上或者快、慢下按钮，使E下降0.5L*cosθx，同理也使F上升0.5L*cosθx。按钮使用原则为先快后慢，直至θx和Δx同时为零，此时完成了X方向的调平。Y方向的调平过程如下。启动G对应的快、慢下按钮，使G下降L*cosθy。此时便完成了平台X和Y两个方向的倾角调整，平台处于水平状态。接下来通过观察摄像头中的“+”和标尺中的目标水平丝的竖向距离，调节终端中的同上或者同下按钮，使“+”横丝和目标水平丝重合。

其次介绍Y向倾斜控制原理。若平台在X和Y向的倾角分别为θx和θy，且要求的Y向倾角为θY。先进行X向调平，方法同上。接着启动G对应的快、慢下按钮，使G上升（L*cosθY-L*cosθy）。此时便完成了Y向倾斜调整。接下来采用上述的方法进行对丝，不再赘述。

转向原理为：

望远镜转动的精确控制是多点监测的基础。该系统主要由监测点的基准球和标尺、望远镜、转向马达（含转角角度传感器）、强磁铁、热源、热源传感器及终端组成。

转向原理的第一种方法如下：假设望远镜原来对准位置一，现在要求转向位置二。首先通过终端启动标尺上的热源，接着开启望远镜上的热源感应器搜索热源，望远镜就会转向带有热源的标尺方向，进而实现转向功能。

转向原理的第二种方法如下：假设望远镜原来对准位置一，现在要求转向位置二。以此为例，介绍转向原理如下：因为安装设备时会事先测量望远镜的十字对丝中心与不同位置标尺上同一个目标点连线的夹角θ，而且位一、二置不可能出现较大的位移；为此在望远镜的十字对丝中心与不同位置标尺上同一个目标点连线外侧放置两块强磁铁，如此一来，转向位置二只需启动右转，略大于θ，转向马达到右侧磁铁位置，然后通过对丝摄像头再微调马达的位置即可对准位置二，从而实现转向。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下点：

1.远程控制：本系统基本完全实现远程控制，提高了效率，并为长期的沉降和水平位移观测提供了便利；

2.精确提高十倍：理论上可以达到0.01mm级；

3.功能齐全：可以测沉降、水平角度、水平位移、高程；

4.数据采集更加灵活：本系统可在任意时间（包括夜间）进行测量，这为更加准确和实时的测量结构的沉降和水平位移提供保证；

5.成本经济:本系统所采用的各部分技术已经相当成熟，保证了成本的经济性；

6.便于推广:由于设备成本简便、使用简便且可灵活布置，对环境的要求不苛刻，故此观测装置便于推广；

7.本发明结构简单、设计科学合理、易于实现，有效保证了沉降观测点的准确性以及建筑的装饰施工及美观。

附图说明

图1是本发明一个实施例的系统结构示意图；

图2是本发明一个实施例的终端接收控制系统的示意图；

图3是本发明一个实施例的平台控制原理示意图；

图4是本发明一个实施例的转向原理示意图；

图5是本发明一个实施例的沉降测试原理示意图；

图6是本发明一个实施例的位移测试原理示意图；

图7是本发明一个实施例的水平位移测试原理示意图；

其中，1、混凝土柱；2、摄像头；3、导线；4、数据处理终端：5、网络；6、信号采集控制器；7、望远镜；8、旋转马达；9、热源感应器；10、十字丝；11、千分表；12、强磁铁；13、热源；14、标尺；15、激光测距仪；16、自动调焦镜头；17、支撑台；18、球铰；19、感应灯；20、伺服电机；21、玻璃罩；22、刚性底座；23、基准球，24、望远镜X轴、Y轴倾角显示窗口；25、望远镜X轴、Y轴方向高差显示窗口、镜头偏角（水平方向）显示窗口；26、对丝摄像头窗口；27、镜头偏角窗口；28、沉降数值显示窗口；29、快、慢上按钮；30、快、慢下按钮；31、快、慢同上按钮；32、快、慢同下按钮；33、快、慢左按钮；34、快、慢右按钮；35、一键找平按钮；36、X、Y向找平按钮；37、热源按钮；38、热源搜索按钮；39、测点及设备选择按钮；40、双轴倾角传感器；41.保存下载按钮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1中各部件的功能如下：

混凝土柱1提供监测基准点，并提供安装设备的平台；

摄像头2：实时观测望远镜7中的镜像；

导线3：实现摄像头2、千分表11、竖向伺服电机20、双轴倾角传感器40、望远镜旋转马达8、激光测距仪15、自动调焦镜头16、热源感应器9中信号和信号采集控制器6之间的交互；

数据处理终端4：接收远程信号、发出指令、显示各参数和图像；

网络5：实现信号采集控制器及热源和终端之间的信息交互；

信号采集控制器6：所有信号的传输处理中转站；

望远镜7：观察观测点；

旋转马达8：旋转望远镜；

热源感应器9：感知并搜索热源位置；

十字丝10：用于精确对准观测目标；

千分表11：测量沉降数值；

强磁铁12：固定千分表；热源13：产生热量；

标尺14：被观测对象；

激光测距仪15：测量距离；

自动调焦镜头16：使窗口目标清晰；

支撑台17：安放望远镜；

球铰18：配合竖向伺服电机灵活的升降支撑台；

感应灯19：晚上自动开启提供照明；

伺服电机20：升降支撑台；

玻璃罩21：防风、防雨、防护；

刚性底座22：嵌入混凝土柱并提供安装设备场所；

基准球23：提供稳定的监测点。

如图1所示，建筑结构远程多功能监测系统，包括一竖直设置的固定桩体，固定桩体为混凝土柱1，混凝土柱1提供监测基准点，并提供安装设备的平台。

固定桩体底部一侧设置有与其固定连接的水平刚性底座22，所述底座22上通过竖向设置的伺服电机10支撑有支撑台17，支撑台17上通过旋转马达8连接有横向设置的望远镜7，望远镜7上设置有热源感应器9、十字丝10和激光测距器15，与望远镜7的目镜相对应设置有一摄像头2；

支撑台17上设置有双轴倾角传感器，支撑台17底部设置有与其相接触的千分表11，千分表11下部设置于强磁铁12上，强磁铁11固定于水平刚性底座22上；

与望远镜7的自动调焦镜头16相对应的设置有一竖向的标尺14，标尺14的顶部设置有热源13，标尺14底部固定于基准球23上，标尺14上还设置有感应灯19；

摄像头2、千分表11、伺服电机20、双轴倾角传感器、旋转马达8、激光测距仪15、自动调焦镜头16和热源感应器9均通过导线3与信号采集控制器6相连，信号采集控制器6与数据处理终端4相连。

伺服电机20有三个，三个伺服电机分别通过球铰18与支撑台17底部相连，伺服电机20用于升降支撑台17，球铰18配合竖向伺服电机20灵活的升降支撑台17。三个伺服电机20组成等腰三角形布置，且等腰三角形的高等于底边长度。

双轴倾角传感器的纵向投影处于三个伺服电机20组成的等腰三角形的中心处。

望远镜7外部中间位置通过一旋转马达8连接于支撑台17上，旋转马达8动作能够使望远镜7旋转。

固定桩体和水平刚性底座22组合后呈L形设置，处于刚性底座上部的伺服电机20、支撑台17、千分表11、强磁铁12、望远镜7、摄像头2和信号采集控制器6被一个密封的透明罩罩住，即除了标尺、热源、基准球、感应灯和数据处理终端外，前述所有部件均在透明罩中，透明罩为玻璃罩21，玻璃罩21起到防风、防雨和防护作用。

基准球23为硬质不锈钢球，基准球下部和钢筋相连，钢筋则由混凝土浇筑密封成螺旋体。

如图1所示，由于本发明的监测系统工作原理复杂，主要由标尺系统、终端接收控制系统、平台控制系统、转向系统、采集及传输系统五部分组成。下面按照上述五个系统的顺序依次介绍标尺系统、终端接收控制系统、平台控制原理、转向原理、采集及传输原理，最后介绍该设备的整体工作原理。

1标尺系统简介

稳定而精确的标尺系统是准确测量的首要条件。因此，标尺14在基准球没有沉降数值时，不能发生由于外界干扰而产生的“虚假竖向位移”

该系统由基准球23、标尺14和感应灯19三部分组成。感应灯19在夜晚自动开启，以确保夜间的正常观测。基准球23为硬质不锈钢球，基准球23下部和直径为10mm的钢筋相连，钢筋则由混凝土浇筑密封成螺旋体。为尽可能的消除外界干扰，在不影响施工和运营的前提下混凝土块尽可能大一些，尺寸为：直径：100mm，高1000mm。

2终端接收控制系统

终端接收控制系统由终端设备和控制系统两部分组成。该系统的作用是实时采集各监测点的沉降和水平位移并保存和下载监测数据。其中终端设备可以为手机或者电脑。

数据处理终端的界面示意图如图2所示，主要组成及功能如下：

望远镜X轴、Y轴倾角显示窗口24：显示望远镜支撑平台沿X轴、Y轴方向的倾角；

望远镜X轴、Y轴方向高差显示窗口、镜头偏角（水平方向）显示窗口25：显示望远镜支撑平台沿X轴、Y轴方向的高差；

对丝摄像头窗口26：用于显示望远镜和标尺的对准情况；

镜头偏角窗口27：显示望远镜在水平面内的偏角；

沉降数值显示窗口28：实时显示沉降数值；

快、慢上按钮29：分别独自快速和慢速调节E、F、G伺服电机的上升运动；

快、慢下按钮30：分别独自快速和慢速调节E、F、G伺服电机的下降运动；

快、慢同上按钮31：分别同时快速和慢速调节E、F、G伺服电机的上升运动；

快、慢同下按钮32：分别同时快速和慢速调节E、F、G伺服电机的下降运动；

快、慢左按钮33：快速和慢速调节望远镜绕的左转运动；

快、慢右按钮34：快速和慢速调节望远镜绕的右转运动；

一键找平按钮35：一键调整望远镜平台水平；

X、Y向找平按钮36：分别实现望远镜平台X、Y向的找平；

热源按钮37：开启和关闭选定测点的热源，为搜索提供帮助；

热源搜索按钮38：用于对准测点；

测点及设备选择按钮39：选择设备及其对应的测点编号。

保存下载按钮41；用于保存及下载数据文件。

3平台控制原理

平台控制系统主要用来调节望远镜平台的水平状态，从而保证望远镜在转动和静止时都能保证处于水平或者Y向倾斜（望远镜一直沿Y向）状态，这个过程是系统准确工作的前提条件。该系统主要由伺服电机E、F、G，双向倾角传感器和终端及系统组成，如图3所示。且EG和FG的距离相等，EF电机之间的距离为L，G到EF的距离也为Ｌ。

水平面控制原理如下可以分成两个部分来阐述：水平控制原理和Y向倾斜控制原理。

首先介绍水平控制原理。若望远镜底部平台处于倾斜状态，测量的数据是不可采信的，此时需要对平台进行水平调整。假设平台在X和Y向的倾角分别为θx和θy。此时Ｅ与F的高差为L*cosθx，EF中点与Ｇ的高差为为L*cosθｙ。先启动终端系统中E、F对应的快、慢上或者快、慢下按钮，使E下降0.5L*cosθx，同理也使F上升0.5L*cosθx。按钮使用原则为先快后慢，直至θx和Δx同时为零，此时完成了X方向的调平。Y方向的调平过程如下。启动G对应的快、慢下按钮，使G下降L*cosθy。此时便完成了平台X和Y两个方向的倾角调整，平台处于水平状态。接下来通过观察摄像头中的“+”和标尺中的目标水平丝的竖向距离，调节系统中的同上或者同下按钮，使“+”横丝和目标水平丝重合。

其次介绍Y向倾斜控制原理。若平台在X和Y向的倾角分别为θx和θy，且要求的Y向倾角为θY。先进行X向调平，方法同上。接着启动G对应的快、慢下按钮，使G上升（L*cosθY-L*cosθy）。此时便完成了Y向倾斜调整。接下来采用上述的方法进行对丝，不再赘述。

4转向原理

望远镜转动的精确控制是多点监测的基础。该系统主要由监测点的基准球23和标尺14、望远镜7、旋转马达8（含转角角度传感器）、强磁铁12、热源13、热源传感器9及终端组成，如图4所示。

转向原理的第一种方法如下：假设望远镜7原来对准位置一（图4中左侧位置），现在要求转向位置二（图4中右侧位置）。首先通过数据处理终端4启动标尺上的热源13，接着开启望远镜7上的热源感应器9搜索热源13，望远镜7就会转向带有热源13的标尺方向，进而实现转向功能。

转向原理的第二种方法如下：假设望远镜7原来对准位置一，现在要求转向位置二。以此为例，介绍转向原理如下。因为安装设备时会事先测量acb的夹角（假设为θ），而且a、b、c的位置又不可能出现较大的位移。为此在望远镜7的ac和bc线外侧放置两块强磁铁12，如此一来，转向位置二只需启动右转（略大于θ）马达到右侧磁铁12位置，然后通过对丝摄像头再微调马达的位置即可对准位置二，从而实现转向。

5采集及传输原理

采集及传输原理如下：现场的千分表11、旋转马达8、竖向伺服电机20和摄像头2通过导线3和信号采集控制器6相连，以便实现信号交互。信号采集控制器6通过网络5和数据处理终端4相连，从而使全部数据和影像显示在屏幕上。如要对现场设备进行遥控调节，只需在终端系统界面点击相关按钮即可，终端发出的指令通过网络传输到信号采集控制器再通过导线发送到各个具体设备进行控制和调整。

5.6 建筑结构远程多功能监测系统监测方法

建筑结构远程多功能监测系统监测方法主要包括三个：其一为沉降监测；其二为水平角度及水平位移监测；其三为高程及水平距离监测。

5.1沉降监测

沉降监测简介如下：如图5所示，安装设备之初利用上述的平台控制原理和转向原理，使望远镜7的十字丝10水平线对准标尺14上的0处横刻线，该位置称为原位置（竖向）（图5中左侧），系统会记下此时千分表数值m1。一段时间过后，标尺14必然会随着基准球23出现相同的沉降（假设沉降数值为Δ），假设此时望远镜7的十字丝10水平线对准标尺14中的01水平刻线，再次利用平台控制原理使望远镜十字丝10再次对准0处横刻线，该位置称为后位置（竖向）（图5中右侧）同理系统会记下此时千分表数值m2。沉降数值（m2-m1）会显示在终端系统的沉降窗口中。最后保存含时间的沉降数据。

5.2水平角度及水平位移监测

测某测点的水平位移需要两台设备，测量水平角度需要一台设备，鉴于水平位移和水平角度的测量有相关之处，所以这里一起阐述。

监测如下：如图6所示，利用平台控制原理和转向原理，先使两台望远镜7相互对准，利用激光测距仪15测出ab的水平距离，并将ab作为基准线。再次利用转向原理，使两台望远镜十字丝10竖直线对准标尺14上的c处竖刻线，该位置称为原位置，系统会记下此时两台望远镜7与ab的夹角θ1和θ2。此时便完成了水平角度的测量（即完成了水平角度的测试原理）。当然，测水平角度只需一台设备和两个基准点（a和b）就够了。这里用两台是为了测量水平位移的需要。

接下来，利用余弦定理可以得到ac和bc的长度，再利用三角函数则可得到ad和cd的长度。若以a为原点，以ab的方向为X正方向以a点向上建立坐标系，那么c点的坐标为（ad，dc）。

当测点c的位置出现水平移动，假设移动到c1位置，同理可以得到此时对应的θ1ˊ和θ2ˊ。同理还可得到c1的坐标（ae，ec1）。

因此，测点的位移为（ae-ad，ec1-dc），至此便完成了水平位移的测量。

5.3高程及水平距离监测

如图7所示，如需对c点进行测量，利用平台控制原理和转向原理，使望远镜的十字丝对准目标点c，由Y向倾角传感器可以得到θ1，由激光测距仪可以得到ac的距离D，则高程H和水平距离的算法如下：

H = D×sin(θ1)

L = D×cos(θ1)。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种建筑结构远程多功能监测系统，其特征是，包括一竖直设置的固定桩体，所述固定桩体为混凝土柱，混凝土柱提供监测基准点，并提供安装设备的平台；固定桩体底部一侧设置有与其固定连接的水平刚性底座，所述水平刚性底座上通过竖向设置的伺服电机支撑有支撑台，支撑台上通过旋转马达连接有横向设置的望远镜，望远镜上设置有热源感应器、十字丝和激光测距器，与望远镜的目镜相对应设置有一摄像头；

所述支撑台上设置有双轴倾角传感器，支撑台底部设置有与其相接触的千分表，千分表下部设置于强磁铁上，强磁铁固定于水平刚性底座上；

与望远镜的自动调焦镜头相对应的设置有一竖向的标尺，标尺的顶部设置有热源，标尺底部固定于基准球上，标尺上还设置有感应灯；

所述摄像头、千分表、伺服电机、双轴倾角传感器、旋转马达、激光测距仪、自动调焦镜头和热源感应器均通过数据线与信号采集控制器相连，信号采集控制器与数据处理终端相连，所述数据处理终端为手机或电脑。

2.如权利要求1所述的建筑结构远程多功能监测系统，其特征是，所述伺服电机有三个，三个伺服电机分别通过球铰与支撑台底部相连，伺服电机用于升降支撑台，球铰配合竖向伺服电机灵活的升降支撑台。

3.如权利要求2所述的建筑结构远程多功能监测系统，其特征是，所述三个伺服电机成等腰三角形布置，且等腰三角形的高等于底边长度。

4.如权利要求3所述的建筑结构远程多功能监测系统，其特征是，所述双轴倾角传感器的纵向投影处于三个伺服电机组成的等腰三角形的中心处。

5.如权利要求1所述的建筑结构远程多功能监测系统，其特征是，所述望远镜外部中间位置通过所述旋转马达连接于支撑台上，旋转马达动作能够使望远镜旋转。

6.如权利要求1所述的建筑结构远程多功能监测系统，其特征是，所述固定桩体和水平刚性底座组合后呈L形设置，处于水平刚性底座上部的伺服电机、支撑台、千分表、强磁铁、望远镜、摄像头和信号采集控制器被一个密封的透明罩罩住，即除了标尺、热源、基准球、感应灯和数据处理终端外，前述所有部件均在透明罩中。

7.如权利要求1所述的建筑结构远程多功能监测系统，其特征是，所述基准球为硬质不锈钢球，基准球下部和钢筋相连，钢筋则由混凝土浇筑密封成螺旋体。

8.一种利用权利要求1所述建筑结构远程多功能监测系统的监测方法，其特征是，包括沉降监测、水平角度及水平位移监测和高程及水平距离监测；

A.沉降监测，步骤如下：

1)将建筑结构远程多功能监测系统安装完毕，使望远镜十字丝水平线对准标尺上的0点处横刻线，该位置称为原位置，信号采集控制器会记下此时千分表数值m1；

2)一段时间过后，标尺必然会随着基准球出现相同的沉降，假设沉降数值为Δ，假设此时望远镜十字丝水平线对准标尺中的01点水平刻线；

3)再次使望远镜十字丝再次对准0点处横刻线，同理信号采集控制器会记下此时千分表数值m2；

4)沉降数值m2-m1会显示在数据处理终端中，最后保存含时间的沉降数据；

B.水平角度及水平位移监测，步骤如下：

1)将建筑结构远程多功能监测系统安装完毕，先使两台望远镜相互对准，利用激光测距仪测出两台望远镜底部基准点之间的水平距离ab，并将水平距离ab作为基准线，a、b点分别为两台望远镜底部相同位置的基准点；

2)再次使两台望远镜十字丝竖直线对准标尺上的c点处竖刻线，该位置称为原位置，信号采集控制器会记下此时a基准点与c点原位置的连线ac和水平距离ab的夹角θ1，以及b基准点与c点原位置连线bc和水平距离ab的夹角θ2，此时便完成了水平角度的测量；

3)利用余弦定理，得到ac和bc的长度，再利用三角函数得到ad和cd的长度，d点为c点竖直向下与ab之间的垂直交点，若以a为原点，以ab的方向为X正方向以a点向上建立坐标系，那么c点的坐标为(ad，dc)；

4)当测点c的位置出现水平移动，假设移动到c1位置，同理，信号采集控制器会记下此时a基准点与c1点的连线ac1和水平距离ab的夹角θ1ˊ，以及b基准点与c1点连线bc1和水平距离ab的夹角θ2ˊ；

5)利用余弦定理，得到ac1和bc1的长度，再利用三角函数得到ae和c1e的长度，e点为c1点竖直向下与ab之间的垂直交点，若以a为原点，以ab的方向为X正方向以a点向上建立坐标系，那么c1的坐标为(ae，ec1)；

6)测点的位移为(ae-ad，ec1-dc)，至此便完成了水平位移的测量；

C.高程及水平距离监测

假设对准标尺上的c点进行测量，使望远镜的十字丝对准目标点c，由双轴倾角传感器得到水平角度及水平位移监测中的θ1，由激光测距仪得到ac的距离D，则高程H和水平距离L的算法如下：

H＝D×sinθ1

L＝D×cosθ1。