CN111750798A - 一种隧道形变的实时自动监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道形变的实时自动监测装置，包括至少一台激光扫描镜组，若干个复合式靶标组件和上位机；所述的激光扫描镜组由激光发射器、反射镜组、主嵌入式系统和机壳组成，激光发射器、反射镜组和主嵌入式系统封装在机壳内，反射镜组可将激光发射器射出的激光束在视场内进行X、Y向扫描，并可按主嵌入式系统的指令将激光束保持在一固定空间角射出。本发明克服现有技术缺点，解决现有隧道形变测量中的操作复杂、实时性差、效率低、对场地要求高、重复精度低等缺陷，其安装部署简便，测量速度快，精度高，重复性好，测量形变位移范围大，可对隧道多断面形变进行实时监测。

Description

一种隧道形变的实时自动监测装置

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，具体是指一种隧道形变的实时自动监测装置。

背景技术

隧道是工程施工建设中不可缺少的组成部分,随着社会经济技术的发展,隧道在工程施工中所占比例越来越高,但由于隧道施工、运行均位于地下,地质条件千差万别，现场情况复杂多变,地质的不可明确探查性使得隧道的施工、运行均存在一定风险，因此对于隧道形变的监测十分重要。

传统的隧道形变测量方法可以分为接触式测量和非接触式测量两大类，接触式测量主要有应变片法和收敛仪法，非接触式测量主要有全站仪法、近景摄影法和小车轨道扫描法等。

应变片法利用布置的应变片所受应力的变化来推算各点的变形量，安装布置要求较高，且无法观测较大的位移变形；收敛仪法通过测线长度的变化进行形变检测，但其无法提供空间三维信息，测点数量有限，安装复杂，特别是大型隧道和地下空间使用受限；全站仪法精度较高，但其操作复杂，对人员要求高，不具备实时性；近景摄影法需针对不同的隧道环境进行标定，对环境和场地的要求高，测量精度也较低；小车轨道扫描法利用安置在轨道上的小车装置对断面扫描，其重复精度低，占用空间大，对隧道要求较高，常与施工作业发生矛盾。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术缺点，提供一种隧道形变的实时自动监测装置，解决现有隧道形变测量中的操作复杂、实时性差、效率低、对场地要求高、重复精度低等缺陷，其安装部署简便，测量速度快，精度高，重复性好，测量形变位移范围大，可对隧道多断面形变进行实时监测。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种隧道形变的实时自动监测装置，包括：至少一台激光扫描镜组，若干个复合式靶标组件和上位机；所述的激光扫描镜组由激光发射器、反射镜组、主嵌入式系统和机壳组成，激光发射器、反射镜组和主嵌入式系统封装在机壳内，反射镜组可将激光发射器射出的激光束在视场内进行X、Y向扫描，并可按主嵌入式系统的指令将激光束保持在一固定空间角射出；所述的复合式靶标组件按所需数量固定在隧道变形观测点上，其在隧道剖面的位移即为观测点的形变位移，复合式靶标组件由阵列式感光靶标、幕布成像靶标和副嵌入式系统组成，阵列式感光靶标由多个感光元件以阵列的形式组成，接收光线后产生高电平信号，各感光元件在阵列中的相互位置关系精确已知，且每一个感光元件都有唯一位置编号，幕布成像靶标可接收激光光束，在靶标部署阶段，副嵌入式系统可感知受光感光元件的位置信息，结合已知的靶标物理结构，计算出受光感光元件与幕布成像靶标中心的位置和方向，并将该信息反馈至主嵌入式系统；在位移测量阶段，可通过算法可解析激光束在幕布成像靶标上的理论中心，当光束在幕布成像靶标上的位置发生变化时，可根据算法得出偏移位移，即为该监测点的形变位移；所述的上位机与激光扫描镜组通过总线或无线传输的方式连接，激光扫描镜组与多个复合式靶标也通过总线或无线传输的方式进行连接。

所述的激光扫描镜组中的主嵌入式系统控制和驱动激光发射器及反射镜组，并向上位机反馈反射镜组及各复合式靶标组件的监测状态。

所述的激光扫描镜组中的主嵌入式系统在靶标部署阶段可根据副嵌入式系统反馈的受光感光元件距幕布成像靶标中心的位置和方向，控制和驱动反射镜组将激光束射向幕布成像靶标中心，完成靶标部署，并以此点作为该监测点的基础形变点位。

所述的激光扫描镜组中的激光发射器可由TTL电平信号控制。

所述的复合式靶标组件中的幕布成像靶标由前置幕布、暗室和CCD图像传感器组成，CCD图像传感器的视场完全覆盖前置幕布范围。

所述的阵列式感光靶标中的感光元件对光线强度的感应阈值可进行设置。

所述的阵列式感光靶标中的感光元件可根据待监测光的波长进行适应性配置。

所述的幕布成像靶标中的CCD图像传感器可替换为CMOS图像传感器。

所述的上位机可综合以激光扫描镜组为原点，射向各幕布成像靶标的光束的空间方位角，结合各幕布成像靶标所处隧道断面据激光扫描镜组的已知距离，即可得出隧道各监测点的三维位置关系，形成隧道的空间模型，上位机以各监测点初始位置为基点，当任意监测点形变发生时，可反映出隧道何点位发生形变。

所述的上位机，可将隧道各监测点的实时数据、历史数据、变形程度反映出来。

所述的上位机，设定隧道各点形变阈值，及时发出告警信号。

本发明与现有技术相比的优点在于：激光扫描镜组和复合式靶标组件只需固联于隧道，连接方式简单，测量方式为非接触式；在各靶标完成隧道各点的安装后，进行靶标的部署调试，激光扫描镜组将自动扫描其视场内的各复合式靶标组件，当复合式靶标组件上的阵列式感光靶标捕获光束后，会自动控制激光扫描镜组将光束移至其幕布成像靶标的中心位置，在记录该光束的空间方位角后，激光扫描镜组将继续视场内扫描，直至所有复合式靶标组件完成光束方位角的定位部署；在精密测量阶段，激光扫描镜组会按初始各方位角向各靶标依次发射激光光束，对比当前时刻光束在复合式靶标组件中幕布成像靶标的位移，实现各靶标位移，也即隧道各监测点的形变位移；由于其测量位移仅取决于幕布显示中心点的变化，其精度并不受待监测点距离远近的影响；上位机会自动生成隧道三维模型，实时反映形变，并按设置阈值，自动进行告警。

整套装置具有自动化程度高，部署及测量速度快，重复精度高，精度不受距离影响，监测变形范围大，自动显示形变及并可自动告警的优点。

附图说明

图1是本发明的组成示意图；

图2是本发明的部署方式示意图；

图3是激光扫描镜组剖面结构示意图；

图4是复合式靶标组件外形示意图；

图5是复合式靶标组件剖面结构示意图；

如图所示：1-激光扫描镜组；2-复合式靶标组件；3-上位机；4-激光发射器；5-反射镜组；6-主嵌入式系统；7-机壳；8-激光发射器；9-阵列式感光靶标；10-副嵌入式系统；11-感光元件；12-幕布；13-暗室；14-CCD图像传感器。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

见图1所示，本发明中的隧道形变的实时自动监测装置，包括：激光扫描镜组1，复合式靶标组件2以及上位机3。图2为较优的装置部署示意图，由两台激光扫描镜组1，50个复合式靶标组件2(分为10个隧道断面，每断面5个，断面间隔5m)，以及上位机3构成，两台激光扫描镜组1的视场可完全覆盖所有复合式靶标组件2；由图3所示，其中激光扫描镜组1由激光发射器4、反射镜组5、主嵌入式系统6和机壳7组成，激光发射器4、反射镜组5和主嵌入式系统6封装在机壳7内，反射镜组5可将激光发射器4射出的激光束在视场内进行X、Y向扫描，并可按主嵌入式系统6的指令将激光束保持在一固定空间角射出，第一个隧道断面与激光扫描镜组1相距10m远；复合式靶标组件2固定在隧道断面的变形观测点上，其在隧道断面上x，y向的位移即为观测点的断面形变x，y位移，由图4及图5所示，复合式靶标组件2由阵列式感光靶标8、幕布成像靶标9和副嵌入式系统10组成，阵列式感光靶标8由多个感光元件11以阵列的形式组成，接收光线后产生高电平信号，各感光元件11在阵列中的相互位置关系精确已知，且每一个感光元件11都有唯一位置编号，幕布成像靶标9可接收激光光束，在靶标部署阶段，副嵌入式系统10可感知受光感光元件11的位置信息，结合已知的靶标物理结构，计算出受光感光元件11与幕布成像靶标9中心的位置和方向，并将该信息反馈至主嵌入式系统6；在位移测量阶段，可通过算法可解析激光束在幕布成像靶标9上的理论中心，当光束在幕布成像靶标9上的位置发生变化时，可根据算法得出光束中心在靶面上的偏移位移，即为该监测点的形变位移；上位机3与激光扫描镜组1通过485总线连接，激光扫描镜组1与50个复合式靶标2也通过485总线进行连接。

激光扫描镜组1中的主嵌入式系统6以TTL电平信号控制激光发射器4发光，驱动反射镜组5将光束射出，并可反馈当前镜组发射光束的空间方位角，同时还可将各复合式靶标组件2的监测状态一并提交到上位机3。

阵列式感光靶标8中的感光元件11对光线强度的感应阈值可进行设置，感光波长可选择性配置，在靶标的部署阶段，任一感光元件11感受到TTL激光光束后，会产生一个高电平，同时送出该感光元件11在阵列的位置给副嵌入式系统10，得出幕布成像靶标9中心到当前感光元件11的位置和方向，主嵌入式系统6根据此信息，控制和驱动反射镜组5将激光束射向幕布成像靶标9中心，完成靶标部署，并以此点作为该监测点的基础形变点位，通常取0值。

复合式靶标组件2中的幕布成像靶标9由前置幕布12、暗室13和CCD图像传感器14组成，CCD图像传感器14的视场完全覆盖前置幕布12范围，幕布12范围为可精确测量形变的范围。在精确测量阶段，当监测点形变发生后，激光束必然在靶标的幕布12上移动，该移动的精确位移即为该点变形量。

上位机3综合了以激光扫描镜组1为原点，射向各幕布成像靶标9的光束的空间方位角，结合各幕布成像靶标9所处隧道断面据激光扫描镜组1的已知距离，得出隧道各监测点的三维位置关系，形成隧道的空间模型，上位机3以各监测点初始位置为基点，当任意监测点形变发生时，可反映出隧道何点位发生形变；上位机3还可将隧道各监测点的实时数据、历史数据、变形程度反映出来，并根据设定隧道各点形变阈值，及时发出告警信号。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种隧道形变的实时自动监测装置，其特征在于，包括至少一台激光扫描镜组，若干个复合式靶标组件和上位机，所述的激光扫描镜组由激光发射器、反射镜组、主嵌入式系统和机壳组成，激光发射器、反射镜组和主嵌入式系统封装在机壳内，反射镜组将激光发射器射出的激光束在视场内进行X、Y向扫描，并按主嵌入式系统的指令将激光束保持在一固定空间角射出，所述的复合式靶标组件固定在隧道变形观测点上，其在隧道剖面的位移即为观测点的形变位移，复合式靶标组件由阵列式感光靶标、幕布成像靶标和副嵌入式系统组成，阵列式感光靶标由多个感光元件以阵列的形式组成，接收光线后产生高电平信号，各感光元件在阵列中的相互位置关系精确已知，且每一个感光元件都有唯一位置编号，幕布成像靶标用于接收激光光束，在靶标部署阶段，副嵌入式系统可感知受光感光元件的位置信息，结合已知的靶标物理结构，计算出受光感光元件与幕布成像靶标中心的位置和方向，并将该信息反馈至主嵌入式系统；在位移测量阶段，通过算法解析激光束在幕布成像靶标上的理论中心，当光束在幕布成像靶标上的位置发生变化时，根据算法得出偏移位移，即为该监测点的形变位移；所述的上位机与激光扫描镜组通过总线或无线传输的方式连接，激光扫描镜组与多个复合式靶标也通过总线或无线传输的方式进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种隧道形变的实时自动监测装置，其特征在于，所述的激光扫描镜组中的主嵌入式系统控制和驱动激光发射器及反射镜组，并向上位机反馈反射镜组及各复合式靶标组件的监测状态。

3.根据权利要求1所述的一种隧道形变的实时自动监测装置，其特征在于，所述的激光扫描镜组中的主嵌入式系统在靶标部署阶段，根据副嵌入式系统反馈的受光感光元件距幕布成像靶标中心的位置和方向，控制和驱动反射镜组将激光束射向幕布成像靶标中心，完成靶标部署，并以此点作为该监测点的基础形变点位。

4.根据权利要求1所述的一种隧道形变的实时自动监测装置，其特征在于，所述的激光扫描镜组中的激光发射器由TTL电平信号控制。

5.根据权利要求1所述的一种隧道形变的实时自动监测装置，其特征在于，所述的复合式靶标组件中的幕布成像靶标由前置幕布、暗室和CCD图像传感器组成，CCD图像传感器的视场完全覆盖前置幕布范围。

6.根据权利要求5所述的一种隧道形变的实时自动监测装置，其特征在于，所述的幕布成像靶标中的CCD图像传感器可替换为CMOS图像传感器。

7.根据权利要求1所述的一种隧道形变的实时自动监测装置，其特征在于，所述的阵列式感光靶标中的感光元件能对光线强度的感应阈值进行设置，并根据待监测光的波长进行适应性配置。

8.根据权利要求1所述的一种隧道形变的实时自动监测装置，其特征在于，所述的上位机可综合以激光扫描镜组为原点，射向各幕布成像靶标的光束的空间方位角，结合各幕布成像靶标所处隧道断面据激光扫描镜组的已知距离，即可得出隧道各监测点的三维位置关系，形成隧道的空间模型，上位机以各监测点初始位置为基点，当任意监测点形变发生时，可反映出隧道何点位发生形变。

9.根据权利要求8所述的一种隧道形变的实时自动监测装置，其特征在于，所述的上位机，用于将隧道各监测点的实时数据、历史数据、变形程度反映出来。

10.根据权利要求8所述的一种隧道形变的实时自动监测装置，其特征在于，所述的上位机，设定隧道各点形变阈值，及时发出告警信号。

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