CN111121715A - 一种竖向位移监测设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竖向位移监测设备及系统，该设备包括水准尺及数据采集单元，水准尺由主尺体及基柱组成，主尺体的底部设有第一连接板，第一连接板与主尺体的竖直轴线相互垂直，基柱顶部设有第二连接板，第一连接板和第二连接板通过调节结构相连；数据采集单元包括位于主体尺内部的望远镜、分光镜、分划板、调焦装置、CCD传感器、单片机、发送模块及电源模块，望远镜连接分光镜，分光镜分别连接分划板及CCD传感器，分划板连接调焦装置，CCD传感器、单片机及发送模块依次连接，电源模块为整个设备提供电能。该发明可以节约人工成本、提高人员安全性、工作效率及监测精度。该发明广泛应用于工程检测监测技术领域。

Description

一种竖向位移监测设备及系统

技术领域

本发明涉及工程检测检测监测技术领域，尤其涉及一种竖向位移监测设备及系统。

背景技术

竖向位移监测方法目前有几何水准和液体静力水准等方法。

几何水准：根据国家水准测量规范要求，历次竖向位移监测是通过工作基点间联测一条闭合或附合路线，由线路的工作基点来测量各点高程，各监测点高程初始值为监测工程前期两次测定的平均值，某监测点本次高程与前次高程的差值为本次竖向位移，本次高程减初始高程得到的差值为累计竖向位移。几何水准测量存在以下几个问题：1、需要3个测量人员才能完成一次完整的水准测量，人工成本高；2、联测所需时间较长，影响工作效率，影响监测精度；3、测量人员长时间在户外作业，夏季时，室外温度高，紫外线强，影响测量人员的身体健康。

静力水准：测量两点间或多点间相对高程变化。静力水准系统一般安装在被测物体等高的测墩上或被测物体墙壁等高线上，通过观测和记录液面高度的变化，再通过与静力水准仪的基点进行比对，计算出各个静力水准仪之间的相对差异沉降量；通常采用一体化模块化自动测量单元采集数据，通过有线或无线通讯与计算机连接，从而实现自动化观测。静力水准系统对外界环境的适应性差，例如：静力水准系统需安装在被测物体等高的测墩上或被测物体墙壁等高线上，无法满足高程落差较大的环境；各个静力水准仪之间需采用连通管串联，而连通管在复杂环境中容易损坏，且受温度影响较大。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种竖向位移监测设备及系统。该发明可以节约人工成本、提高人员安全性、工作效率及监测精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种竖向位移监测设备，包括水准尺及数据采集单元，水准尺由主尺体及基柱组成，主尺体呈具有第一侧面、第二侧面和第三侧面的正三棱柱状，第一侧面和第二侧面上各设有一铟钢尺面，第三侧面设有一个圆水准器；主尺体的底部设有第一连接板，第一连接板与主尺体的侧面轴线相互垂直，基柱顶部有第二连接板，第一连接板和第二连接板通过调节结构相连，调节结构可调节主尺体至竖直状态；数据采集单元包括位于主体尺内部的望远镜、分光镜、分划板、调焦装置、CCD传感器、单片机、发送模块及电源模块，望远镜连接分光镜，分光镜分别连接分划板及CCD传感器，分划板连接调焦装置，CCD传感器连接单片机，单片机连接发送模块，电源模块为整个设备提供电能。

优选地，所述望远镜、分光镜、分划板、调焦装置及CCD传感器嵌入主尺体第三侧面的竖向中间位置，所述单片机、发送模块及电源模块设置于主尺体最下端。

优选地，所述基柱的高度可调。

优选地，所述基柱包括套筒和螺杆，螺杆底部设置有螺栓，螺杆相对套筒可上下移动。

优选地，所述电源模块为蓄电池。

优选地，还包括设置在外部的太阳能电池板，太阳能电池板通过导线连接蓄电池。

第二方面，本发明实施例提供了一种竖向位移监测系统，包括接收模块、数据读取模块及上述的竖向位移监测设备，接收模块连接数据读取模块，接收模块用于接收发送模块发送的信号。

优选地，所述发送模块和所述接收模块均为无线传输。

实施本发明包括以下有益效果：竖向位移监测设备安装后，数据采集单元采集数据后发送出去，无需安排监测人员到现场进行监测作业，大大节约了人工成本、提高工作人员安全性且工作效率高；设备安装后无需再移动，减少误差，提高测量精度；通过基柱的升降调节主尺体的高度，可以满足对尺体不同高度需求的复杂场地，环境适应性高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种主尺体的第一侧视图；

图2是本发明实施例提供的一种主尺体的第二侧视图；

图3是本发明实施例提供的一种基柱的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种安装有数据采集单元的主尺体结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种竖向位移监测设备的结构框图；

图6是本发明实施例提供的一种竖向位移监测系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供了一种竖向位移监测设备，包括水准尺及数据采集单元，水准尺由主尺体及基柱组成。如图1所示，主尺体呈具有第一侧面1-1、第二侧面1-2和第三侧面1-3的正三棱柱状，主尺体第一侧面1-1和第二侧面1-2上各设有一铟钢尺面，主尺体底部的第一连接板1-4与主尺体的侧面轴线相互垂直，调节结构1-5可以为脚螺旋；如图2所示，主尺体第三侧面1-3设置有圆水准器1-6。如图3所示为基柱的结构示意图，基柱顶部设置的第二连接板2-1，螺杆2-2连接第二连接板2-1及螺栓2-3，螺杆2-2相对套筒2-4可上下移动以调节高度。第一连接板1-4和第二连接板2-1通过调节结构1-5相连，调节结构1-5可调节主尺体至竖直状态。

如图4所示，望远镜、分光镜、分划板及调焦装置均安装在主体尺内部的A位置，CCD传感器安装在主体尺内部的B位置，A位置在B位置的上方，A位置和B位置均位于圆水准器1-6的上方；单片机、发送模块及电源模块均设置在主体尺的最下端C位置；设备中各电气元件通过内置电线D连接。上述安装方式具有以下优点：(1)可降低主尺体重心，且主尺体重心不会发生较大偏移，减少尺体在使用过程中受重心影响发生倾斜；(2)视线的可调节范围最大化，提高设备在复杂环境中的适用性，降低监测人员安装设备的难度；(3)部件安装在水准尺内部增强了硬件的防水性能，且可降低部件在使用过程的折损程度。

具体地，数据采集单元如图5所示，望远镜连接分光镜，分光镜输出分别连接分划板和CCD传感器，分划板连接调焦装置，CCD传感器连接单片机，单片机连接发送模块。工作原理如下：主尺体上的条码标尺图像在望远镜中成像，并通过分光镜分成两路，一路成像到分划板上供调焦装置调焦使用，另一路供CCD传感器将图像转换成模拟信号并由单片机及发送模块将模拟信号发送出去以供读取装置读取数据。数据采集单元中的电源模块(未画出)为整个采集单元提供电能，电源模块可以选择蓄电池，也可以给蓄电池外接太阳能电池板以提供电能。数据采集单元还包括驱动电路，驱动动力用于驱动调焦装置、CCD传感器、单片机及发送模块。

需要说明的是，望远镜内部包含有自动安平补偿器，自动安平补偿器安装在望远镜的物镜和十字丝之间，自动安平补偿器使视准轴精调至水平。一般圆水准器的灵敏度为8’-10’，安平补偿器的作用范围为15’，安装自动安平补偿器，圆水准器整平后，自动安平补偿器能自动将视线调至水平，保证水准仪正确读数。

实施本发明包括以下有益效果：竖向位移监测设备安装后，数据采集单元采集数据后发送出去，无需安排监测人员到现场进行监测作业，大大节约了人工成本、提高工作人员安全性且工作效率高；设备安装后无需再移动，减少误差，提高测量精度；通过基柱的升降调节主尺体的高度，可以满足对尺体不同高度需求的复杂场地，环境适应性高。

本发明实施例还提供了一种竖向位移监测系统，包括接收模块、数据读取模块及上述的竖向位移监测设备，接收模块连接数据读取模块，接收模块用于接收发送模块发送的信号。

优选地，所述发送模块和所述接收模块均为无线传输。

具体地，接收模块接收发送模块发送的模拟信号，数据读取模块对模拟信号进行解析并读取视距和视线高度的读数。

上述竖向位移监测系统与竖向位移监测设备实现相同的技术效果。

上述竖向位移监测系统的使用方法如下：

A1：布点，做好监测控制点。根据设计和报批监测方案的要求在监测对象上布设监测点，支护结构顶竖向位移的监测点均布设在临边护栏内侧(靠基坑或边坡内侧)，并做好标至和记录。

A2：安装基柱及主尺体。安装基柱用膨胀螺丝将基柱固定在围护墙或边坡顶部，基柱底部方形钢板安装应基本水平；安装主尺体将主尺体底部第一连接板下方自带的脚螺旋套件固定连接在基柱顶部第二连接板，并使3个脚螺旋其中2个的连线与支护结构边线尽量平行。

A3：调节脚螺旋使圆水准器气泡居中，尺体垂直。

A4：安装太阳能电池板。将太阳能电池板的吸光面朝向光线较足的方向，然后固定安装在基柱套筒或临边护栏上，安装完毕后激活设备进行联网。

A5：调整尺面至竖直方向，同时调整光学望远镜至水平方向。监测人员手持平板电脑设备，从基准点出发的第一个监测点开始，依次调整镜头方向及高度，使所有自动测量单元均能正常采集数据；并再次调节脚螺旋使圆水准器气泡居中。

A6：数据采集。设置该监测项目相关资料并设置采集频率，现场测量单元采集完成后将模拟信号发送至接收模块，并由数据解析模块进行解析、计算并生成数据报表及变化曲线图。

A7：待整个监测项目结束后，可回收上述竖向位移监测系统，进行较准后，应用到其他项目中。

需要说明的是，基准点设置3个，在3个基准点间布设水准路线，水准路线可以为闭合水准路线，也可以为附合水准路线。首次测量时调整基座使各点间都能读数并预留观测点发生预期容许变形的视线变化空间。闭合水准路线的高程计算公式为：ΔH_1,2+ΔH_2,3+ΔH_3,1＝0，ΔHi,j表示基准点j相对于基准点i点的高差。附合水准路线的高程计算公式为：

Hi-1,i表示水准路线上相邻监测点间高差。

误差分析如下：

(1)视线水平补偿后误差：Δh1＝S*tan i，其中，S表示视距，i表示自动安平补偿器误差。当S＝30m，i＝0.3"时，Δh1＝0.044mm。

(2)球气差：球差为固定误差，恒为正，固定路线观测时在各点计算高差变化值时互相抵消后可忽略。气差Δh2＝K*S²/2R，其中，K为常数，取值范围0.08～0.14；R表示地球曲率。当K取值为0.14，S取值30m，R取值为6371km，Δh2＝0.010mm。

(3)尺体倾斜误差：Δh3＝H*(1-cosθ)，其中，H表示视线高度，θ表示倾斜角度。当H取值为900mm，θ取值为1度时，Δh3＝0.137mm。

(4)高差误差：Δh₄＝Δt*ΔL*δ，其中，Δt为两次观测之间温度变化量，ΔL为基座高差之差，δ为线膨胀系数。当Δt取值为20℃，ΔL取值为300mm，δ取值为1.2*10^-5时，Δh₄＝0.072mm。高差误差由于温度变化导致基座伸长量不一致而产生。Δh4为整个线路上基座调整到最高与调整到最低点间导致的误差，且不影响线路闭合差。

按国家一、二等水准测量规范第4.2条，全中误差Mw不超过2.0mm；对基坑监测，各项高差不需再进行9.2.2条各项改正；倾斜1度时：单站测量最大误差Δh＝0.18mm；Mw对基坑监测，闭合环线长F取1km，水准环数N取1，即全中误差Mw等于线路闭合差W，且W需小于2mm。则测站数(监测点数)≤123，即测点数少于123个时即可满足二等水准对全中误差要求。

从上面的分析可知，主要误差为尺体倾斜误差，如控制到满足二等要求(测站高差观测中误差0.15mm)，应有Δh3＜0.15mm，即θ＜62′。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种竖向位移监测设备，其特征在于，包括水准尺及数据采集单元，所述水准尺由主尺体及基柱组成，所述主尺体呈具有第一侧面、第二侧面和第三侧面的正三棱柱状，所述第一侧面和所述第二侧面上各设有一铟钢尺面，所述第三侧面设有一个圆水准器；所述主尺体的底部设有第一连接板，所述第一连接板与所述主尺体的侧面轴线相互垂直，所述基柱顶部有第二连接板，所述第一连接板和所述第二连接板通过调节结构相连，所述调节结构可调节所述主尺体至竖直状态；所述数据采集单元包括位于所述主体尺内部的望远镜、分光镜、分划板、调焦装置、CCD传感器、单片机、发送模块及电源模块，所述望远镜连接所述分光镜，所述分光镜分别连接所述分划板及所述CCD传感器，所述分划板连接所述调焦装置，所述CCD传感器连接所述单片机，所述单片机连接所述发送模块，所述电源模块为整个设备提供电能。

2.根据权利要求1所述的竖向位移监测设备，其特征在于，所述望远镜、所述分光镜、所述分划板、所述调焦装置及所述CCD传感器嵌入所述主尺体第三侧面的竖向中间位置，所述单片机、所述发送模块及所述电源模块设置于所述主尺体最下端。

3.根据权利要求2所述的竖向位移监测设备，其特征在于，所述基柱的高度可调。

4.根据权利要求3所述的竖向位移监测设备，其特征在于，所述基柱包括套筒和螺杆，所述螺杆底部设置有螺栓，所述螺杆相对所述套筒可上下移动。

5.根据权利要求1所述的竖向位移监测设备，其特征在于，所述电源模块为蓄电池。

6.根据权利要求5所述的竖向位移监测设备，其特征在于，还包括设置在外部的太阳能电池板，所述太阳能电池板通过导线连接所述蓄电池。

7.一种竖向位移监测系统，其特征在于，包括接收模块、数据读取模块及如权利要求1-6任一项所述的竖向位移监测设备，所述接收模块连接所述数据读取模块，所述接收模块用于接收所述发送模块发送的信号。

8.根据权利要求7所述的一种竖向位移监测系统，其特征在于，所述发送模块和所述接收模块均为无线传输。

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