CN110986875A - 一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置、系统及方法，该装置包括固定于基准点的光源、固定于隧道拱顶监测点的感光器以及通讯装置，所述感光器包括小孔成像装置和感光面板，所述通讯装置分别与所述光源、感光面板和服务器连接，所述通讯装置接收服务器的控制信号控制光源发出光线，所述光源发出的光线通过所述小孔成像装置在所述感光面板上形成光斑投影，所述感光面板获取光斑投影位置信息，并通过所述通讯装置发送至服务器。本发明能够实现隧道沉降的自动化、高频率、高精度、实时的监测，省去大量繁琐的人工测量步骤。

Description

一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置、系统及方法，属于测量仪器领域。

背景技术

随着设备公路、铁路基建的发展，隧道的在建和保有公里数越来越多，为了保证隧道施工、运营的安全，隧道的安全监测问题日益突出，需要对隧道拱顶沉降进行监测，目前对隧道沉降的监测普遍采用利用全站仪人工观测记录测量，测量监测时需对运营隧道实行封闭和交通管制等措施，在浪费大量社会资源的同时，对监测人员的人身安全也没有保证，并且人工测量受人为因素影响，测量精度低，数据无法实时传输；另外，也可采用静力水准仪，通过水压测量方式测量沉降，但这种测量方式受温度、大气压等影响，精度无法到达要求，不具备大面积使用推广的技术条件。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置、系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置，包括固定于基准点的光源、固定于隧道拱顶监测点的感光器以及通讯装置，所述感光器包括小孔成像装置和感光面板，所述通讯装置分别与所述光源、感光面板和服务器连接，所述通讯装置接收服务器的控制信号控制光源发出光线，所述光源发出的光线通过所述小孔成像装置在所述感光面板上形成光斑投影，所述感光面板获取光斑投影位置信息，并通过所述通讯装置发送至服务器。

本发明的有益效果是：由光源通过小孔成像装置在感光面板上形成光斑投影，根据感光面板的光斑投影位置信息确定光斑投影位置变化量，并根据光斑投影位置变化量确定监测点发生沉降时的位置变化，实现隧道沉降的自动化、高频率、高精度、实时的监测，省去大量繁琐的人工测量步骤。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述光源包括一个发光点或两个发光点；当光源包括两个发光点时，两个发光点的连线与所述感光面板平行。

进一步，所述光敏矩阵采用10*10感光CCD光敏矩阵，矩阵点的间距为10mm。

进一步，所述小孔成像装置采用开设有成像孔的遮光板，所述遮光板通过四周的连接柱与所述感光面板的感光侧连接。

进一步，所述连接柱长度为D，调节D值使光斑投影在感光面板上只覆盖一个矩阵点。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种隧道拱顶沉降的自动化监测系统，包括至少一个上述的一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置和服务器，所有所述自动化监测装置均与所述服务器连接；

所述服务器用于接收自动化监测装置发送的光斑投影位置信息；

当所述监测点发生沉降时，根据所述光斑投影位置信息确定光斑投影位置变化量，根据所述光斑投影位置变化量结合相似形原理确定监测点发生沉降时的位置变化。

进一步，当光源包括两个发光点，并且两个发光点的连线与所述感光面板平行时，服务器根据所述光斑投影位置信息确定两个发光点对应的光斑投影之间的距离和当监测点发生沉降时产生的第一光斑投影位移；根据所述两个发光点之间的距离、对应的光斑投影之间的距离和第一光斑投影位移确定监测点的沉降位移；

当光源包括一个发光点时，服务器根据所述检测信号确定当监测点发生沉降时产生的第二光斑投影位移；根据所述光源与小孔成像装置之间的第一水平距离、所述小孔成像装置与所述感光面板之间的第二水平距离和第二投影位移确定监测点的沉降位移。

进一步，至少一个所述自动化监测装置沿隧道拱顶布设构成级联结构，所述级联结构中相邻的所述自动化监测装置的光源和感光面板安装在同一个监测点。

本发明还提供一种隧道拱顶沉降的自动化监测方法，基于上述的一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置实现，包括：

接收自动化监测装置发送的光斑投影位置信息；

当所述监测点发生沉降时，根据所述光斑投影位置信息确定光斑投影位置变化量，根据所述光斑投影位置变化量结合相似形原理确定监测点发生沉降时的位置变化。

进一步，当光源包括两个发光点，并且两个发光点的连线与所述感光面板平行时，根据所述光斑投影位置变化信息确定两个发光点对应的光斑投影之间的距离和当监测点发生沉降时产生的第一光斑投影位移；根据所述两个发光点之间的距离、对应的光斑投影之间的距离和第一光斑投影位移确定监测点的沉降位移；

当光源包括一个发光点时，根据所述光斑投影位置变化信息确定当监测点发生沉降时产生的第二光斑投影位移；根据所述光源与小孔成像装置之间的第一水平距离、所述小孔成像装置与所述感光面板之间的第二水平距离和第二光斑投影位移确定监测点的沉降位移。

进一步，所述根据所述两个发光点之间的距离、对应的光斑投影之间的距离和第一光斑投影位移确定监测点的沉降位移，具体包括：

按照公式:△A＝△B*(L1/L2+1)计算基准点和监测点发生沉降时产生的沉降位移△A，其中，△B为任一发光点在所述感光面板上的第一光斑投影位移，L1为第一发光点和第二发光点之间的距离，L2为第一发光点和第二发光点在所述感光面板上的光斑投影之间的距离；

所述根据所述光源与小孔成像装置之间的第一水平距离、所述小孔成像装置与所述感光面板之间的第二水平距离和第二光斑投影位移确定监测点的沉降位移，具体包括：

按照公式:△A＝△B’*(D1/D+1)计算监测点发生沉降时产生的沉降位移△A，其中，△B’为发光点在所述感光面板上的第二光斑投影位移，D1为所述光源与小孔成像装置之间的第一水平距离，D为所述小孔成像装置与所述感光面板之间的第二水平距离。

进一步，还包括：

通过所述通讯装置设定所述光源和感光面板的开关机时间和/或与服务器进行通讯的通讯时间，以使所述光源和感光面板按照所述开关机时间进行开关机和/或按照所述通讯时间与所述服务器进行通讯。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置的结构示意图；

图2为基于本发明实施例提供的一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置计算监测点沉降位移的原理示意图；

图3为光源在投影感光面板上投影形成光斑的示意图；

图4为本发明实施例提供的小孔成像装置的结构示意图；

图5为多个隧道拱顶沉降的自动化监测装置形成监测线的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明实施例提供的一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置的结构示意图，如图1所示，包括固定于基准点的光源1、固定于隧道拱顶监测点的感光器以及通讯装置，所述感光器包括小孔成像装置2和感光面板3，所述通讯装置分别与所述光源1、感光面板3和服务器连接，所述通讯装置接收服务器的控制信号控制光源1发出光线，所述光源1发出的光线通过所述小孔成像装置2在所述感光面板3上形成光斑投影，所述感光面板3获取光斑投影位置信息，并通过所述通讯装置发送至服务器。

其中，所述光源1包括一个发光点或两个发光点；当光源包括两个发光点时，两个发光点的连线与所述感光面板平行。如图2所示，所述光源1包括发光点A1和发光点A2，所述发光点A1和A2的连线与所述感光面板平行。

所述感光面板可采用光敏矩阵，所述光敏矩阵采用10*10感光CCD矩阵，矩阵点的间距为10mm，发光点在感光面板上投影形成的光斑投影大小约为15mm，可通过调节小孔与感光面板之间的距离来改变光斑大小，如图3所示。

如图4所示，所述小孔成像装置2采用开设有成像孔21的遮光板22，所述遮光板22通过四周的连接柱23与所述感光面板3的感光侧连接。所述连接柱23长度为D，在使用前，需要预先调节D值来改变光斑大小，使光斑投影在感光面板上只覆盖一个矩阵点，以便准确确定光斑投影的位置。

通讯装置可采用ZigBee、4G物联卡等无线通讯方式实现，也可采用光纤等有线通讯方式实现。

该装置利用光线直线传播的特性，结合小孔成像原理通过三角函数计算测量隧道拱顶沉降，具体的实现原理如下：

如图1所示，光源1发出的光线通过小孔成像装置2在感光面板3上形成光斑投影，感光面板的数据采集周期为2s，感光面板将投影的光信号转换成电信号，从而记录下光斑投影的位置，并通过通讯装置将光斑投影位置信息传输至后台的服务器，当监测点发生位移时，光源1通过小孔成像装置照射到感光面板上形成的光斑投影位置及状态也随之改变，服务器根据上一周期的光斑投影位置及状态，可计算出监测点的位移，具体的计算过程如下：

如图2所示，位于基准点的发光板处安装固定间距L1的发光点A1、A2，监测点处安装小孔成像装置和感光面板，其中小孔成像装置的成像孔至感光面板之间距离D为常量，B1、B2为A1、A2在感光面板上初始的投影，B1^’和B2^’为发生沉降后A1、A2在感光面板上的投影，服务器可根据感光面板反馈的光斑投影位置信息计算出B1和B2的间距为L2。

设基准点距离监测点的间距为D1，则由相似三角形对应线段比值相等的原理，即可得出D1/D＝L1/L2。

当监测点产生沉降时，A2、A1在感光面板上的投影位置B2、B1会发生变化，以发光点A2和投影B2为例，设B2的位移为△B2，小孔的竖向变形位移量为ΔA，则由相似三角形对应线段比值相等的原理可得，ΔA/ΔB2＝(D1+D)/D＝D1/D+1＝L1/L2+1，从而得出监测点的位移值ΔA。

本发明实施例提供一种隧道拱顶沉降的自动化监测系统，包括至少一个上述的一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置和服务器，所有所述自动化监测装置均与所述服务器连接；

所述服务器用于接收自动化监测装置发送的光斑投影位置信息；

当所述监测点发生沉降时，根据所述光斑投影位置信息确定光斑投影位置变化量，根据所述光斑投影位置变化量结合相似形原理确定监测点发生沉降时的位置变化。

该实施例中，服务器确定监测点发生沉降时的位置变化的具体过程已在上一实施例中进行了具体阐述，此处不再赘述。

可选地，在该实施例中，当光源包括两个发光点，并且两个发光点的连线与所述感光面板平行时，服务器根据所述光斑投影位置信息确定两个发光点对应的光斑投影之间的距离和当监测点发生沉降时产生的第一光斑投影位移；根据所述两个发光点之间的距离、对应的光斑投影之间的距离和第一光斑投影位移确定监测点的沉降位移。

具体的，如图2所示，光源1包括发光点A1和发光点A2，发光点A1和A2的连线与所述感光面板平行。按照公式:△A＝△B*(L1/L2+1)计算监测点发生沉降时产生的沉降位移△A，其中，△B为任一发光点在所述感光面板上的第一光斑投影位移，L1为第一发光点和第二发光点之间的距离，L2为第一发光点和第二发光点在所述感光面板上的光斑投影之间的距离，具体的公式推导过程见上一实施例，此处不再赘述。

当光源包括一个发光点时，服务器根据所述检测信号确定当监测点发生沉降时产生的第二光斑投影位移；根据所述光源与小孔成像装置之间的第一水平距离、所述小孔成像装置与所述感光面板之间的第二水平距离和第二投影位移确定监测点的沉降位移。

具体的，如图2所示，如果光源1仅仅包含一个发光点(以A2为例，A1的计算过程相同)，则按照公式:△A＝△B^’*(D1/D+1)计算监测点发生沉降时产生的沉降位移△A，其中，△B^’为发光点在所述感光面板上的第二光斑投影位移，D1为所述光源与小孔成像装置之间的第一水平距离，D为所述小孔成像装置与所述感光面板之间的第二水平距离，具体的公式推导过程见上一实施例，此处不再赘述。

可选地，在该实施例中，至少一个上述的自动化监测装置沿隧道拱顶布设构成级联结构，所述级联结构中相邻的所述自动化监测装置的光源和感光面板安装在同一个监测点。

具体的，将该自动化监测装置安装在隧道沿线的各个监测点，形成监测线，通过采集每个监测点相对于相邻监测点的位移量，即可持续监测全线隧道中每个监测点相对于基准点的位移量，如图5所示。

可选地，在该实施例中，服务器还可通过所述通讯装置设定所述光源和感光面板的开关机时间和/或与服务器进行通讯的通讯时间，以使所述光源和感光面板按照所述开关机时间进行开关机和/或按照所述通讯时间与所述服务器进行通讯。

具体的，通讯装置采用4g物联卡，光源和感光面板均可采用内部时钟自动控制开关机和通讯；服务器通过4g物联卡下传开关机时间和通讯时间等设定参数给光源和感光面板，从而使光源和感光面板按照设定参数中的开关机时间进行开关机，以及按照所述通讯时间与所述服务器进行通讯。

一般地，为了达到节能的效果，在每次测量完毕后,该装置即完全断电关机,依靠光源和感光面板内部的独立实时时钟进行唤醒工作,可以实现长期的无人值守工作。

本系统可实现隧道拱顶沉降的自动化监测，不需要对监测隧道封闭测量或交通管制，节省了大量的人力物力，同时也大大减少了监测人员工作量，节省了人工成本，同时自动化实时监测也保证了隧道的正常施工和运营。

相应地，本发明实施例还提供一种隧道拱顶沉降的自动化监测方法，基于上述的一种隧道拱顶沉降的自动化监测系统实现，包括：

S1、接收自动化监测装置发送的光斑投影位置信息；

S2、当所述监测点发生沉降时，根据所述光斑投影位置信息确定光斑投影位置变化量，根据所述光斑投影位置变化量结合相似形原理确定监测点发生沉降时相对于基准点的位置变化。

可选地，在该实施例中，当光源包括两个发光点，并且两个发光点的连线与所述感光面板平行时，根据所述光斑投影位置变化信息确定两个发光点对应的光斑投影之间的距离和当监测点发生沉降时产生的第一光斑投影位移；根据所述两个发光点之间的距离、对应的光斑投影之间的距离和第一光斑投影位移确定监测点的沉降位移；

当光源包括一个发光点时，根据所述光斑投影位置变化信息确定当监测点发生沉降时产生的第二光斑投影位移；根据所述光源与小孔成像装置之间的第一水平距离、所述小孔成像装置与所述感光面板之间的第二水平距离和第二光斑投影位移确定监测点的沉降位移。

可选地，在该实施例中，所述根据所述两个发光点之间的距离、对应的光斑投影之间的距离和第一光斑投影位移确定监测点的沉降位移，具体包括：

按照公式:△A＝△B*(L1/L2+1)计算监测点发生沉降时产生的沉降位移△A，其中，△B为任一发光点在所述感光面板上的第一光斑投影位移，L1为第一发光点和第二发光点之间的距离，L2为第一发光点和第二发光点在所述感光面板上的光斑投影之间的距离；

所述根据所述光源与小孔成像装置之间的第一水平距离、所述小孔成像装置与所述感光面板之间的第二水平距离和第二光斑投影位移确定监测点的沉降位移，具体包括：

按照公式:△A＝△B^’*(D1/D+1)计算监测点发生沉降时产生的沉降位移△A，其中，△B^’为发光点在所述感光面板上的第二光斑投影位移，D1为所述光源与小孔成像装置之间的第一水平距离，D为所述小孔成像装置与所述感光面板之间的第二水平距离。

可选地，在该实施例中，该方法还包括：

S3、通过所述通讯装置设定所述光源和感光面板的开关机时间和/或与服务器进行通讯的通讯时间，以使所述光源和感光面板按照所述开关机时间进行开关机和/或按照所述通讯时间与所述服务器进行通讯。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置，其特征在于，包括固定于基准点的光源、固定于隧道拱顶监测点的感光器以及通讯装置，所述感光器包括小孔成像装置和感光面板，所述通讯装置分别与所述光源、感光面板和服务器连接，所述通讯装置接收服务器的控制信号控制光源发出光线，所述光源发出的光线通过所述小孔成像装置在所述感光面板上形成光斑投影，所述感光面板获取光斑投影位置信息，并通过所述通讯装置发送至服务器。

2.根据权利要求1所述的一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置，其特征在于，所述光源包括一个发光点或两个发光点；当光源包括两个发光点时，两个发光点的连线与所述感光面板平行。

3.根据权利要求1或2所述的一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置，其特征在于，所述小孔成像装置采用开设有成像孔的遮光板，所述遮光板通过四周的连接柱与所述感光面板的感光侧连接。

4.一种隧道拱顶沉降的自动化监测系统，其特征在于，包括至少一个如权利要求1至3任一项所述的一种隧道拱顶沉降的自动化监测装置和服务器，所有所述自动化监测装置均与所述服务器连接；

所述服务器用于接收自动化监测装置发送的光斑投影位置信息；

当所述监测点发生沉降时，根据所述光斑投影位置信息确定光斑投影位置变化量，根据所述光斑投影位置变化量结合相似形原理确定监测点发生沉降时的位置变化。

5.根据权利要求4所述的一种隧道拱顶沉降的自动化监测系统，其特征在于，当光源包括两个发光点，并且两个发光点的连线与所述感光面板平行时，服务器根据所述光斑投影位置信息确定两个发光点对应的光斑投影之间的距离和当监测点发生沉降时产生的第一光斑投影位移；根据所述两个发光点之间的距离、对应的光斑投影之间的距离和第一光斑投影位移确定监测点的沉降位移；

当光源包括一个发光点时，服务器根据所述检测信号确定当监测点发生沉降时产生的第二光斑投影位移；根据所述光源与小孔成像装置之间的第一水平距离、所述小孔成像装置与所述感光面板之间的第二水平距离和第二投影位移确定监测点的沉降位移。

6.根据权利要求4或5所述的一种隧道拱顶沉降的自动化监测系统，其特征在于，至少一个所述自动化监测装置沿隧道拱顶布设构成级联结构，所述级联结构中相邻的所述自动化监测装置的光源和感光面板安装在同一个监测点。

7.一种隧道拱顶沉降的自动化监测方法，基于权利要求4至6任一项所述的一种隧道拱顶沉降的自动化监测系统实现，其特征在于，包括：

接收自动化监测装置发送的光斑投影位置信息；

当所述监测点发生沉降时，根据所述光斑投影位置信息确定光斑投影位置变化量，根据所述光斑投影位置变化量结合相似形原理确定监测点发生沉降时的位置变化。

8.根据权利要求7所述的一种隧道拱顶沉降的自动化监测方法，其特征在于，当光源包括两个发光点，并且两个发光点的连线与所述感光面板平行时，根据所述光斑投影位置变化信息确定两个发光点对应的光斑投影之间的距离和当监测点发生沉降时产生的第一光斑投影位移；根据所述两个发光点之间的距离、对应的光斑投影之间的距离和第一光斑投影位移确定监测点的沉降位移；

当光源包括一个发光点时，根据所述光斑投影位置变化信息确定当监测点发生沉降时产生的第二光斑投影位移；根据所述光源与小孔成像装置之间的第一水平距离、所述小孔成像装置与所述感光面板之间的第二水平距离和第二光斑投影位移确定监测点的沉降位移。

9.根据权利要求7所述的一种隧道拱顶沉降的自动化监测方法，其特征在于，所述根据所述两个发光点之间的距离、对应的光斑投影之间的距离和第一光斑投影位移确定监测点的沉降位移，具体包括：

按照公式:△A＝△B*(L1/L2+1)计算监测点发生沉降时产生的沉降位移△A，其中，△B为任一发光点在所述感光面板上的第一光斑投影位移，L1为第一发光点和第二发光点之间的距离，L2为第一发光点和第二发光点在所述感光面板上的光斑投影之间的距离；

所述根据所述光源与小孔成像装置之间的第一水平距离、所述小孔成像装置与所述感光面板之间的第二水平距离和第二光斑投影位移确定监测点的沉降位移，具体包括：

按照公式:△A＝△B^’*(D1/D+1)计算监测点发生沉降时产生的沉降位移△A，其中，△B^’为发光点在所述感光面板上的第二光斑投影位移，D1为所述光源与小孔成像装置之间的第一水平距离，D为所述小孔成像装置与所述感光面板之间的第二水平距离。

10.根据权利要求7至9任一项所述的一种隧道拱顶沉降的自动化监测方法，其特征在于，还包括：

通过所述通讯装置设定所述光源和感光面板的开关机时间和/或与服务器进行通讯的通讯时间，以使所述光源和感光面板按照所述开关机时间进行开关机和/或按照所述通讯时间与所述服务器进行通讯。

Images