CN109595433B - 一种多探头位移监测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多探头位移监测设备，包括：限位支架，所示限位支架两端设有承重梁，所述承重梁上端安装在上骨架梁、下端安装在下骨架梁上，背板上安装有多探头控制系统，所述限位支架一侧设有滑槽，滑槽内设有若干球轴座，球轴座最外层设有半球轴座，球轴座的两侧设有连接支架，位移监测探头安装在连接支架上，所述球轴座内通孔内设有限位轴，所述限位轴一端安装在承重梁上、另一端通过压紧轴套安装在承重梁上。本发明利用多传感器器数据融合技术，识别基准点变动等因素对激光测距值的影响，实时对激光测距值进行修正，以得到真实可靠的目标位置变动量，而且，调节面采用球面接触，锁紧更强、可靠性更高。

Description

一种多探头位移监测设备
技术领域
本发明涉及工程施工监测设备技术领域，具体为一种多探头位移监测设备。
背景技术
铁路、桥梁、城市建筑、轨道交通、城市综合管廊、水利工程、矿山等运行安全，各类建筑施工过程中的事故原因很大一部分都可以归咎于“位移”：例如基坑沉降、建筑沉降、山体滑坡等。目前的解决方案是人工利用全站仪等仪器设备进行现场检测，观测不实时，两次测量间隔在一星期甚至一个月以上，留有重大安全隐患。其次，人工观测结果受到人为操作影响，准确性与可靠性受操作人员专业素质影响较大。最后，现有观测方法需要大量人力资源，成本较高。传统测量时都是手持棱镜杆直接立于监测点之上这样会增加人 为的测量误差，甚至有可能会导致基坑误报警，影响工程施工。激光相位法测距技术是目前常用的测距技术，基于该原理的各类激光测距仪、传感器广泛应用在工程测量领域的长度距离测量和位置变动的监测上。由于原理的限制，当应用在位移监测方面时，传统的激光测距技术只能监测目标测点在一个维度上的位置变化，其测量值又很容易受到目标转动或监测基点位置或角度变动带来的影响，无法准确界定检测到的位移变动究竟是否由目标的真实运动引起，导致其在位移监测领域应用较窄。
中国专利公开了一种桥梁位移监测设备（公开号CN206818096U），包括：基座，用于连接至桥台或盖梁中；悬座，用于连接至桥梁的底面；水平位移监测板，安装于基座上并使其上板面保持水平，水平位移监测板的上板面具有标有刻度的网格线；可记录伸缩长度的水平位移监测针，连接至悬座上，其针尖能够与水平位移监测板的上板面构成滑动接触；竖直位移监测板，安装于悬座上并使其侧板面保持竖直，竖直位移监测板的侧板面具有标有刻度的网格线；可记录伸缩长度的竖直位移监测针，连接至基座上，其针尖能够与竖直位移监测板的侧板面构成滑动接触。但是其测量精度低，而且监测范围较窄，不能应对多探头的需求。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种多探头位移监测设备，以解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种多探头位移监测设备，包括：限位支架，所述限位支架两端设有承重梁，所述承重梁上端安装在上骨架梁、下端安装在下骨架梁上，所述上骨架梁、下骨架梁一端安装在前骨架梁上、另一端安装在后骨架梁上，限位支架一端的骨架梁上安装有左侧端盖，限位支架另一端的骨架梁上安装有右侧端盖，所述限位支架后端设有背板，背板上安装有多探头控制系统，背板后侧设有后面罩，限位支架前端设有前面罩，所述限位支架一侧设有滑槽，滑槽内设有若干球轴座，球轴座最外层设有半球轴座，球轴座的两侧设有连接支架，位移监测探头安装在连接支架上，所述球轴座内通孔内设有限位轴，所述限位轴上开设有外螺纹，所述限位轴一端安装在承重梁上、另一端通过压紧轴套安装在承重梁上，压紧轴套与限位轴之间通过螺纹连接。
所述限位支架两端的承重梁两端设有支撑横梁，左侧端盖、右侧端盖通过螺柱套、固定螺栓安装在骨架梁上，后面罩、前面罩通过沉头螺钉、固定螺钉、固定螺栓安装在骨架梁上，左侧端盖、右侧端盖与骨架梁之间设有支撑垫块。
所述承重梁包括承重梁本体，所述承重梁本体中部一侧设有限位轴固定耳，所述限位轴固定耳上设有限位轴固定卡槽，所述限位轴固定卡槽内设有限位轴安装垫，所述限位轴固定卡槽外侧设有限位支架安装孔，所述限位支架两端通过固定螺栓安装在承重梁上的限位支架安装孔内，限位轴两端卡设在限位轴固定卡槽内。
所述限位轴包括限位轴本体，所述限位轴本体一端设有限位轴支撑部、另一端开设有外螺纹，限位轴支撑部外侧设有限位轴固定垫圈，所述限位轴固定垫圈外侧设有限位轴松紧调节螺母。
所述压紧轴套包括内螺纹轴套，所述内螺纹轴套一侧设有轴套凸起垫片、另一侧设有轴套松紧调节螺母。
所述限位支架包括限位支架本体，所述限位支架本体为C型结构槽钢，球轴座卡设在C型结构槽钢的滑槽内，限位支架本体两端设有侧面固定耳、端面固定耳，所述侧面固定耳、端面固定耳上设有固定耳安装孔，固定耳安装孔通过固定螺栓安装在承重梁上的限位支架安装孔内。
所述球轴座包括球轴座安装部、球轴座夹紧部，球轴座安装部上设有安装部卡槽，球轴座安装部卡设在C型结构槽钢的滑槽内，球轴座夹紧部内设有半球形卡槽，连接支架安装在球轴座夹紧部之间，球轴座夹紧部中部设有球轴座安装孔，限位轴穿过球轴座安装孔将球轴座旋紧固定。
所述连接支架包括上连接板、下连接板，所述上连接板、下连接板安装在T型固定板上，所述T型固定板外侧设有球形固定头，球形固定头卡设在相邻两个球轴座的半球形卡槽内，球形固定头中部设有球形固定头限位孔，限位轴从球形固定头限位孔内穿过，对连接支架的左右晃动进行限制，位移监测探头安装在上连接板、下连接板之间。
所述多探头控制系统包括主控模块，所述主控模块上连接有电源模块、时钟模块、状态指示模块、用户操作模块、激光控制模块、TTL转RS232模块、程序更新模块以及接线端子，TTL转RS232模块连接有数据传输模块，数据传输模块、激光控制模块连接于电源模块。
一种多探头位移监测方法，包括以下步骤：
步骤（1）：在基准点位置（B0）安装激光发射和接受装置，观测目标点（B1）在Y方向的位置变动，如果目标在Y方向位置有改变，会引起测距值的变化，在理想情况下，测距值变化量就是目标在Y方向的位置变化量（dy）；
Figure 455972DEST_PATH_IMAGE001
，其中l是本次测距值，l0是初次安装传感器时的基准测距值；
步骤（2）：建立多个测量断面监测基准点网络，断面内各监测点信号发射源共基准，测量每断面基准点6自由度变化，利用基准网络计算方法，每个基准点B0自身利用三轴陀螺仪和磁力计可检测自身方位变动的三轴转角角度变化（θx, θy, θz)，消除B0自身旋转引起的测量值变化后，B1的实际坐标变动，
Figure 630601DEST_PATH_IMAGE002
Figure 231347DEST_PATH_IMAGE003
Figure 225848DEST_PATH_IMAGE004
R为B0和B1之间的距离，上式计算中已消去小角度转动情况下的高阶小量
这样就测出了B1相对于B0的坐标变化；
步骤（3）：通过逐测量基准传递的方式，B0监测B1的变动，B1可以向后监测B2的变动…。这样可以得到任意一个断面的绝对坐标变动量Di
Figure 570241DEST_PATH_IMAGE005
。
与已公开技术相比，本发明存在以下优点：本发明利用多传感器器数据融合技术，识别基准点变动等因素对激光测距值的影响，实时对激光测距值进行修正，以得到真实可靠的目标位置变动量，可以非常方便的安装多个位移监测探头，而且，调节面采用球面接触，锁紧更强、可靠性更高，同时，可以对多个位移监测探头进行上下角度调节，使用非常方便，本发明采用自动化监测手段，可对建筑结构等进行无线安全监测，采用本系统将可以让自动化监测工程变得更加安全和方便，并且可以及早预防事故的发生，减少人员和财产的损失，而且可以适应不同的工程现场，能够实时监测位移情况，保障生产安全，特别是基坑和轨道交通的实时监测，能够进行实时数据调整，降低建造成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的主视图示意图。
图3为本发明的爆炸图示意图。
图4为本发明的承重梁结构示意图。
图5为本发明的限位轴结构示意图。
图6为本发明的压紧轴套结构示意图。
图7为本发明的限位支架结构示意图。
图8为本发明的球轴座结构示意图。
图9为本发明的连接支架结构示意图。
图10为本发明的主控模块电路图原理图。
图11为本发明的电源模块电路图原理图。
图12为本发明的时钟模块电路图原理图。
图13为本发明的状态指示模块电路图原理图。
图14为本发明的用户操作模块电路图原理图。
图15为本发明的激光控制模块电路图原理图。
图16为本发明的数据传输模块电路图原理图。
图17为本发明的TTL转RS232模块电路图原理图。
图18为本发明的程序更新模块电路图原理图。
图19为本发明的接线端子电路图原理图。
图20为本发明的多探头控制系统结构原理图。
图21为本发明的多探头位移监测方法原理示意图。
图22为本发明的基准网络计算原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以两个元件内部的连通，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-9所示，一种多探头位移监测设备，包括：限位支架9，所述限位支架9两端设有承重梁12，所述承重梁12上端安装在上骨架梁10、下端安装在下骨架梁14上，所述上骨架梁10、下骨架梁14一端安装在前骨架梁16上、另一端安装在后骨架梁11上，限位支架一端的骨架梁上安装有左侧端盖1，限位支架另一端的骨架梁上安装有右侧端盖15，所述限位支架9后端设有背板7，背板7上安装有多探头控制系统，背板7后侧设有后面罩8，限位支架9前端设有前面罩19，所述限位支架9一侧设有滑槽，滑槽内设有若干球轴座18，球轴座18最外层设有半球轴座4，球轴座18的两侧设有连接支架5，位移监测探头安装在连接支架5上，所述球轴座18内通孔内设有限位轴13，所述限位轴13上开设有外螺纹，所述限位轴13一端安装在承重梁12上、另一端通过压紧轴套3安装在承重梁12上，压紧轴套3与限位轴13之间通过螺纹连接。
所述限位支架9两端的承重梁12两端设有支撑横梁6，左侧端盖1、右侧端盖15通过螺柱套2、固定螺栓安装在骨架梁上，后面罩8、前面罩19通过沉头螺钉20、固定螺钉21、固定螺栓22安装在骨架梁上，左侧端盖1、右侧端盖15与骨架梁之间设有支撑垫块17。
所述承重梁12包括承重梁本体101，所述承重梁本体101中部一侧设有限位轴固定耳102，所述限位轴固定耳102上设有限位轴固定卡槽103，所述限位轴固定卡槽103内设有限位轴安装垫104，所述限位轴固定卡槽103外侧设有限位支架安装孔105，所述限位支架两端通过固定螺栓安装在承重梁上的限位支架安装孔105内，限位轴两端卡设在限位轴固定卡槽103内。
所述限位轴13包括限位轴本体301，所述限位轴本体301一端设有限位轴支撑部302、另一端开设有外螺纹，限位轴支撑部302外侧设有限位轴固定垫圈303，所述限位轴固定垫圈303外侧设有限位轴松紧调节螺母304。
所述压紧轴套3包括内螺纹轴套401，所述内螺纹轴套401一侧设有轴套凸起垫片402、另一侧设有轴套松紧调节螺母403。
所述限位支架9包括限位支架本体501，所述限位支架本体501为C型结构槽钢，球轴座卡设在C型结构槽钢的滑槽内，限位支架本体501两端设有侧面固定耳502、端面固定耳503，所述侧面固定耳502、端面固定耳503上设有固定耳安装孔504，固定耳安装孔504通过固定螺栓安装在承重梁上的限位支架安装孔内。
所述球轴座18包括球轴座安装部601、球轴座夹紧部602，球轴座安装部601上设有安装部卡槽，球轴座安装部601卡设在C型结构槽钢的滑槽内，球轴座夹紧部602内设有半球形卡槽603，连接支架安装在球轴座夹紧部602之间，球轴座夹紧部602中部设有球轴座安装孔，限位轴穿过球轴座安装孔将球轴座旋紧固定。
所述连接支架5包括上连接板701、下连接板702，所述上连接板701、下连接板702安装在T型固定板703上，所述T型固定板703外侧设有球形固定头704，球形固定头704卡设在相邻两个球轴座的半球形卡槽内，球形固定头704中部设有球形固定头限位孔，限位轴从球形固定头限位孔内穿过，对连接支架的左右晃动进行限制，位移监测探头安装在上连接板701、下连接板702之间。
位移监测探头为激光探头，将反射片安装在基坑的需要监测的位置，利用激光反射原理对基坑的沉降进行实时监测，后面罩、前面罩为透明塑料材质，使用时将位移监测探头安装在上连接板、下连接板之间，然后，限位轴从球形固定头限位孔内穿过，对连接支架的左右晃动进行限制，之后通过球形固定头卡设在相邻两个球轴座的半球形卡槽内，然后限位轴穿过球轴座安装孔将球轴座旋紧固定，调节位移监测探头时，压紧螺套松开时，保证（半）球轴座处于半预紧状态，控制可转动且不因松动造成移位，同时，球轴座安装部卡设在C型结构槽钢的滑槽内，球轴座夹紧部内设有半球形卡槽，连接支架安装在球轴座夹紧部之间，限位轴穿过球轴座安装孔将球轴座旋紧固定，可以非常方便的安装多个位移监测探头，同时，可以对多个位移监测探头进行上下角度调节，使用非常方便。
如图10-20所示，所述多探头控制系统包括主控模块，所述主控模块上连接有电源模块、时钟模块、状态指示模块、用户操作模块、激光控制模块、TTL转RS232模块、程序更新模块以及接线端子，TTL转RS232模块连接有数据传输模块，数据传输模块、激光控制模块连接于电源模块。
所述主控模块是整个系统运行的“心脏”，可实现数据接收、数据处理、数据发送以及系统管理，MCU采用STM32F103RCT6，所述电源模块需要两种电源：DC12V和DC3.3V。DC12V主要是给DTU供电，采用外置12V/5A电源适配器获得；3.3V主要给MCU、LED及激光供电，采用DC-DC稳压芯片实现。图1为电源模块原理设计图，主要采用的是大负载的开关电源芯片LM2596S-3.3，其作用是将12V直流电转换为所需的3.3V直流电。R4采用0欧姆实现对外部电源的隔离处理。
所述时钟模块是MCU运行的前提保障，系统有两种时钟：8MHz和32.768KHz，其中8MHz晶振产生的时钟用于MCU外设的正常运行，32.768KHz晶振产生的时钟主要用于RTC。
所述状态指示模块用于对设备的运行状态进行直观展示，在图4 中有两种指示灯：红色为电源状态指示灯，可监测电源正常与否，电源正常情况下指示灯长亮；绿色为数据通信指示灯，可监测数据通信正常与否，数据通信正常时会闪烁一下。
所述用户操作模块主要提供系统硬复位和功能操作，如图5所示。当设备运行异常或需要复位设备以使某些配置生效时，可操作复位按键(红色)；当设备安装或调试时，可通过功能按键(蓝色)实现激光的开或关。复位和开关激光也可通过远程控制指令实现。
所述激光控制模块主芯片为TI公司的TS5A3167，用于实现对激光传感器的重启，防止激光传感器因环境恶劣时自动停机。
所述数据传输模块其中Q1为NPN三极管，起开关作用，U6为P沟道增强型场效应管，主要为DTU工作提供所需的大电流。TTL转RS232模块主芯片为MAX3232，主要用于将MCU的TTL电平转换为可与DTU通信的RS232电平。程序更新模块主要用于J-LINK向MCU下载程序。接线端子包含了状态指示灯，用户操作按键，DTU通信接口以及激光传感器的通信接口。
如图21、22所示，一种多探头位移监测方法，包括以下步骤：
步骤（1）：在基准点位置（B0）安装激光发射和接受装置，观测目标点（B1）在Y方向的位置变动，如果目标在Y方向位置有改变，会引起测距值的变化，在理想情况下，测距值变化量就是目标在Y方向的位置变化量（dy）；
Figure 599377DEST_PATH_IMAGE001
，其中l是本次测距值，l0是初次安装传感器时的基准测距值；
步骤（2）：建立多个测量断面监测基准点网络，断面内各监测点信号发射源共基准，测量每断面基准点6自由度变化，利用基准网络计算方法，每个基准点B0自身利用三轴陀螺仪和磁力计可检测自身方位变动的三轴转角角度变化（θx, θy, θz)，消除B0自身旋转引起的测量值变化后，B1的实际坐标变动，
Figure 652915DEST_PATH_IMAGE002
Figure 134712DEST_PATH_IMAGE003
Figure 548376DEST_PATH_IMAGE004
R为B0和B1之间的距离，上式计算中已消去小角度转动情况下的高阶小量
这样就测出了B1相对于B0的坐标变化；
步骤（3）：通过逐测量基准传递的方式，B0监测B1的变动，B1可以向后监测B2的变动…。这样可以得到任意一个断面的绝对坐标变动量Di
Figure 166439DEST_PATH_IMAGE005
。
本发明可不受目标转动和监测基点变动影响的新型位移监测传感器控制电路。硬件上板载集成了三轴陀螺仪、加速度计、磁力计，软件上利用多传感器信息融合技术，利用多传感器信息对测得的位移数据进行修正，可有效识别监测基点变动对系统测量结果的影响，提高监测精度，利用多传感器器数据融合技术，识别基准点变动等因素对激光测距值的影响，实时对激光测距值进行修正，以得到真实可靠的目标位置变动量。本发明可以非常方便的安装多个位移监测探头，而且，调节面采用球面接触，锁紧更强、可靠性更高，同时，可以对多个位移监测探头进行上下角度调节，使用非常方便。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种多探头位移监测设备，包括：限位支架，其特征在于：所述限位支架两端设有承重梁，所述承重梁上端安装在上骨架梁、下端安装在下骨架梁上，所述上骨架梁、下骨架梁一端安装在前骨架梁上、另一端安装在后骨架梁上，限位支架一端的骨架梁上安装有左侧端盖，限位支架另一端的骨架梁上安装有右侧端盖，所述限位支架后端设有背板，背板上安装有多探头控制系统，背板后侧设有后面罩，限位支架前端设有前面罩，所述限位支架一侧设有滑槽，滑槽内设有若干球轴座，球轴座最外层设有半球轴座，球轴座的两侧设有连接支架，位移监测探头安装在连接支架上，所述球轴座内通孔内设有限位轴，所述限位轴上开设有外螺纹，所述限位轴一端安装在承重梁上、另一端通过压紧轴套安装在承重梁上，压紧轴套与限位轴之间通过螺纹连接；所述限位支架两端的承重梁两端设有支撑横梁，左侧端盖、右侧端盖通过螺柱套、固定螺栓安装在骨架梁上，后面罩、前面罩通过沉头螺钉、固定螺钉、固定螺栓安装在骨架梁上，左侧端盖、右侧端盖与骨架梁之间设有支撑垫块；所述承重梁包括承重梁本体，所述承重梁本体中部一侧设有限位轴固定耳，所述限位轴固定耳上设有限位轴固定卡槽，所述限位轴固定卡槽内设有限位轴安装垫，所述限位轴固定卡槽外侧设有限位支架安装孔，所述限位支架两端通过固定螺栓安装在承重梁上的限位支架安装孔内，限位轴两端卡设在限位轴固定卡槽内。
2.根据权利要求1所述的一种多探头位移监测设备，其特征在于：所述限位轴包括限位轴本体，所述限位轴本体一端设有限位轴支撑部、另一端开设有外螺纹，限位轴支撑部外侧设有限位轴固定垫圈，所述限位轴固定垫圈外侧设有限位轴松紧调节螺母。
3.根据权利要求1所述的一种多探头位移监测设备，其特征在于：所述压紧轴套包括内螺纹轴套，所述内螺纹轴套一侧设有轴套凸起垫片、另一侧设有轴套松紧调节螺母。
4.根据权利要求1所述的一种多探头位移监测设备，其特征在于：所述限位支架包括限位支架本体，所述限位支架本体为C型结构槽钢，球轴座卡设在C型结构槽钢的滑槽内，限位支架本体两端设有侧面固定耳、端面固定耳，所述侧面固定耳、端面固定耳上设有固定耳安装孔，固定耳安装孔通过固定螺栓安装在承重梁上的限位支架安装孔内。
5.根据权利要求1所述的一种多探头位移监测设备，其特征在于：所述球轴座包括球轴座安装部、球轴座夹紧部，球轴座安装部上设有安装部卡槽，球轴座安装部卡设在C型结构槽钢的滑槽内，球轴座夹紧部内设有半球形卡槽，连接支架安装在球轴座夹紧部之间，球轴座夹紧部中部设有球轴座安装孔，限位轴穿过球轴座安装孔将球轴座旋紧固定。
6.根据权利要求1所述的一种多探头位移监测设备，其特征在于：所述连接支架包括上连接板、下连接板，所述上连接板、下连接板安装在T型固定板上，所述T型固定板外侧设有球形固定头，球形固定头卡设在相邻两个球轴座的半球形卡槽内，球形固定头中部设有球形固定头限位孔，限位轴从球形固定头限位孔内穿过，对连接支架的左右晃动进行限制，位移监测探头安装在上连接板、下连接板之间。
7.根据权利要求1所述的一种多探头位移监测设备，其特征在于：所述多探头控制系统包括主控模块，所述主控模块上连接有电源模块、时钟模块、状态指示模块、用户操作模块、激光控制模块、TTL转RS232模块、程序更新模块以及接线端子，TTL转RS232模块连接有数据传输模块，数据传输模块、激光控制模块连接于电源模块。
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