CN113607077B - 一种冻土微变形自动测量设备及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冻土微变形自动测量设备，该设备包括设立于待测量路基附近的安装立柱、置于安装立柱上的滚珠丝杆滑台和透明防护罩以及置于安装立柱附近的太阳能板。安装立柱设有主控舱室，该主控舱室内设有蓄电池及控制系统电路；滚珠丝杆滑台置于透明防护罩内，并竖直安装在安装立柱的顶部；滚珠丝杆滑台上设有数个激光头模组；待测量路基上的测量点设有与数个激光头模组一一对应的数个带反光片测量桩；太阳能板与蓄电池相连；控制系统电路分别与太阳能板、滚珠丝杆滑台、数个激光头模组相连。本发明还公开了该设备的测量方法。本发明结构简单，可实现变形自动测量、数据实时上传、仪器远程操作等功能。

Description

一种冻土微变形自动测量设备及测量方法

技术领域

本发明涉及测绘测量领域，尤其涉及一种冻土微变形自动测量设备及测量方法。

背景技术

青海至拉萨的交通枢纽建设是连接内地和西藏的生命线工程。路基沉降变形量是评价青藏公路、铁路工程稳定性的重要指标。一直以来，人工水准仪监测作为野外变形监测最基本的监测手段，也是现阶段最可靠的，同时，也是成本最高的监测手段。

水准仪、塔尺构成的测量手段是常规的冻土沉降变形观测方法，在工程实践(施工、检测、监理)、一般科研工作中应用较多。该方法通过比较监测点和基准点之间的相对位置关系来评价待监测点的变形量及变化规律。水准仪的方法具有直观、简单的优点，但是其缺点也很显著。首先，其测量精度与测量人员的熟练程度和责任心、设备的精度（包括水准仪和塔尺）以及天气状况有密切联系。其次，由于是人工观测，在面临大范围、长距离的观测工作时，很难做到按时观测，更不要说每天一次的高密度观测。再次，现阶段还没有做到在线监测。另外，普通全站仪在沉降变形监测中也存在误差较大、仪器成本高等问题。当对沉降变形发生机理进行研究时，过程的监测是至关重要的，如果不能对监测对象进行在线和连续高频度的监测，也就无法了解变形突发过程中各指标之间的关系，更不可能捕捉到失稳时的沉降变形临界值。

随着科技进步，变形监测也在向自动化监测方向迈开步伐，无人值守的自动化解决方案具有相比人工观测具有明显优势：低人工干扰误差，高测量精度，高测量频率，可实时在线查看等。在一定应用环境下，需要通过无人值守的自动化解决方案替代常规水准仪测量冻土路基沉降变形的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实时、准确的冻土微变形自动测量设备。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该冻土微变形自动测量设备的测量方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种冻土微变形自动测量设备，其特征在于：该设备包括设立于待测量路基附近的安装立柱、置于所述安装立柱上的滚珠丝杆滑台和透明防护罩以及置于所述安装立柱附近的太阳能板；所述安装立柱设有主控舱室，该主控舱室内设有蓄电池及控制系统电路；所述滚珠丝杆滑台置于所述透明防护罩内，并竖直安装在所述安装立柱的顶部；所述滚珠丝杆滑台上设有数个激光头模组；所述待测量路基上的测量点设有与数个所述激光头模组一一对应的数个带反光片测量桩；所述太阳能板与所述蓄电池相连；所述控制系统电路分别与所述太阳能板、所述滚珠丝杆滑台、数个所述激光头模组相连。

所述安装立柱为圆柱空心结构，其中段设有主控舱室。

所述滚珠丝杆滑台包括固定在所述安装立柱上的底座、设有步进电机的顶座以及置于所述底座与所述顶座之间的滚珠丝杆和导轨；所述底座的中心设有所述滚珠丝杆，该滚珠丝杆两侧设有一组所述导轨；所述滚珠丝杆与所述导轨上套接有滑动平台，该滑动平台上设有数个所述激光头模组，下部设有下定位片；所述滚珠丝杆穿过所述顶座通过联轴器与所述步进电机相连；所述步进电机和数个所述激光头模组分别通过导线与所述控制系统电路相连。

所述控制系统电路包括单片机构成的主控模块、电源管理模块、通讯模块、测量模块、数据管理模块和人机交互模块；所述电源管理模块由与所述太阳能板及所述蓄电池相连的太阳能充放电控制模块和系统供电模块构成；所述通讯模块由与计算机通信的USB通讯模块和连接移动网络的移动通讯模块构成；所述测量模块由与数个所述激光头模组相连的激光发射及接收数据预处理模块、与所述步进电机相连的步进电机驱动模块构成；所述数据管理模块由与所述主控模块相连的存储模块、与所述通讯模块相连的传输模块、分别与所述存储模块和所述传输模块相连的处理模块构成；所述人机交互模块包括按键输入和状态显示模块；所述主控模块分别与所述电源管理模块、所述通讯模块、所述测量模块、所述数据管理模块和所述人机交互模块相连。

如上所述的一种冻土微变形自动测量设备的测量方法，包括以下步骤：

⑴在所述待测量路基上的测量点设置数个所述带反光片测量桩；

⑵将所述滚珠丝杆滑台中的滑动平台位于导轨中部作为初始位置；分别调整所述滚珠丝杆滑台中的数个所述激光头模组对正相应所述带反光片测量桩，保证当所述带反光片测量桩发生冻胀或融沉变形均在所述滑动平台的扫描范围内；

⑶安装所述透明防护罩于所述安装立柱上；

⑷在所述控制系统电路的控制下，所述滑动平台首先复位到由下定位片确定的滑台最低点，然后通过控制其在所述导轨上往复竖向运动，运行过程中分别通过各个所述激光头模组发射并接受反射光，连续重复扫描以获取其对应各个所述带反光片测量桩的位置Ⅰ，并通过精确记录所述滚珠丝杆滑台中的所述步进电机的转动角度换算为滑动平台位置Ⅰ相对滑台最低点的距离数据，记作a；

⑸假设一段时间后，所述带反光片测量桩发生沉降变形至位置Ⅱ，再次开始测量，所述滑动平台运动至滑动平台位置Ⅱ扫描到位置Ⅱ的带反光片测量桩，并通过精确记录所述滚珠丝杆滑台中的所述步进电机的转动角度换算为滑动平台位置Ⅱ相对滑台最低点的距离数据，记作b；

⑹根据平行四边形原理Z = Z´ = a – b， 即可得出此段时间所述带反光片测量桩对应的沉降变形数据Z；

⑺以每天作为测量频率，重复测量各个所述带反光片测量桩分别对应的变形数据，然后整合为在时域上的路基不同点位的变形过程监测数据即可。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明在控制系统电路的控制下，滑动平台在导轨上竖向运动，滑动平台运行过程中分别通过激光头模组发射并接收反射光，连续重复扫描以获取各个带反光片测量桩位置，通过精确记录步进电机转动角度换算为滑动平台位置相对初始点直线位移数据，从而获取多个测量点的高频率、高精度的路基变形过程监测数据，实现了变形自动测量、数据实时上传、仪器远程操作等功能，解决了电子水准仪、普通水准仪必须人工测量的问题。

2、本发明实现路基变形自动测量基于平行四边形测量方法，只需设备与测量桩通视即可实现测量，相比水准仪水平照准测量具有更广的适应性。

3、本发明结构简单，变形测量过程中激光头模组保持固定不动，相比全站仪需测量角度距离进行计算获取高程数据，本发明引入误差更小，且成本更低。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的工作原理图。

图3为本发明的主控电路功能结构图。

图中：1-待测量路基；2-带反光片测量桩；3-安装立柱；31 -主控舱室；4-控制系统电路；41-主控模块；42-电源管理模块；421-太阳能充放电控制模块；422-系统供电模块；43-通讯模块；431-USB通讯模块；432-移动通讯模块；44-测量模块；441-激光发射及接收数据预处理模块；442-步进电机驱动模块；45-数据管理模块；451-存储模块；452-传输模块；453处理模块；51-滚珠丝杆；52-导轨；53-滑动平台；54-联轴器；55-步进电机；6-激光头模组；7-透明防护罩；8-太阳能板；2-1-位置Ⅰ；2-2-位置Ⅱ；53-1滑动平台位置Ⅰ；53-2-滑动平台位置Ⅱ。

具体实施方式

如图1~3所示，一种冻土微变形自动测量设备，该设备包括设立于待测量路基1附近的安装立柱3、置于安装立柱3上的滚珠丝杆滑台和透明防护罩7以及置于安装立柱3附近的太阳能板8。

安装立柱3设有主控舱室31，该主控舱室31内设有蓄电池及控制系统电路4；滚珠丝杆滑台置于透明防护罩7内，并竖直安装在安装立柱3的顶部；滚珠丝杆滑台上设有数个激光头模组6；待测量路基1上的测量点设有与数个激光头模组6一一对应的数个带反光片测量桩2；太阳能板8与蓄电池相连；控制系统电路4分别与太阳能板8、滚珠丝杆滑台、数个激光头模组6相连。

其中：安装立柱3为圆柱空心结构，其中段设有主控舱室31。

滚珠丝杆滑台包括固定在安装立柱3上的底座、设有步进电机55的顶座以及置于底座与顶座之间的滚珠丝杆51和导轨52；底座的中心设有滚珠丝杆51，该滚珠丝杆51两侧设有一组导轨52；滚珠丝杆51与导轨52上套接有滑动平台53，该滑动平台53上设有数个激光头模组6，下部设有下定位片；滚珠丝杆51穿过顶座通过联轴器54与步进电机55相连；步进电机55和数个激光头模组6分别通过导线与控制系统电路4相连。

控制系统电路4包括单片机构成的主控模块41、电源管理模块42、通讯模块43、测量模块44、数据管理模块45和人机交互模块46；电源管理模块42由与太阳能板8及蓄电池相连的太阳能充放电控制模块421和系统供电模块422构成；通讯模块43由与计算机通信的USB通讯模块431和连接移动网络的移动通讯模块432构成；测量模块44由与数个激光头模组6相连的激光发射及接收数据预处理模块441、与步进电机55相连的步进电机驱动模块442构成；数据管理模块45由与主控模块41相连的存储模块451、与通讯模块43相连的传输模块452、分别与存储模块451和传输模块452相连的处理模块453构成；人机交互模块46包括按键输入和状态显示模块；主控模块41分别与电源管理模块42、通讯模块43、测量模块44、数据管理模块45和人机交互模块46相连。

控制系统电路4可完成设备的控制，数据的处理及无线远传，即可及时获取高频率、高精度的路基变形过程监测数据。

实际应用中，多个激光头模组6对应监测点其中一个为设立的基准监测点，通过基准点校准可获取更精确的变形监测数据。

该冻土微变形自动测量设备的测量方法，包括以下步骤：

⑴在待测量路基1上的测量点设置数个带反光片测量桩2；

⑵将滚珠丝杆滑台中的滑动平台53位于导轨52中部作为初始位置；分别调整滚珠丝杆滑台中的数个激光头模组6对正相应带反光片测量桩2，保证当带反光片测量桩2发生冻胀或融沉变形均在滑动平台53的扫描范围内；

⑶安装透明防护罩7于安装立柱3上，保护野外仪器，提高野外工作环境适应性；

⑷在控制系统电路4的控制下，滑动平台53首先复位到由下定位片确定的滑台最低点，然后通过控制其在导轨52上往复竖向运动，运行过程中分别通过各个激光头模组6发射并接受反射光，连续重复扫描以获取其对应各个带反光片测量桩2的位置Ⅰ2-1，并通过精确记录滚珠丝杆滑台中的步进电机55的转动角度换算为滑动平台位置Ⅰ53-1相对滑台最低点的距离数据，记作a；

⑸假设一段时间后，带反光片测量桩2发生沉降变形至位置Ⅱ2-2，再次开始测量，滑动平台53运动至滑动平台位置Ⅱ53-2扫描到位置Ⅱ2-2的带反光片测量桩2，并通过精确记录滚珠丝杆滑台中的步进电机55的转动角度换算为滑动平台位置Ⅱ53-2相对滑台最低点的距离数据，记作b；

⑹根据平行四边形原理Z = Z´ = a – b，Z´为滑动平台位置Ⅰ53-1与滑动平台位置Ⅱ53-2的差值，进而即可得出此段时间带反光片测量桩2对应的沉降变形数据Z；

⑺以每天作为测量频率，重复测量各个带反光片测量桩2分别对应的变形数据，然后整合为在时域上的路基不同点位的变形过程监测数据即可。

本发明主控系统软件已获得中华人民共和国国家版权局计算机软件著作权登记，软件名称：冻土微变形自动监测主控系统软件；登记号：2020SR0816256。

本发明已做出测试样机，并完成测试。

测试时间：2020年4月至11月。

测试地点：甘肃省兰州市城关区东岗西路318号中国科学院西北生态环境资源研究院7号楼负一层。

取其中7月份测试数据如下：

Claims (1)

1.一种冻土微变形自动测量设备，其特征在于：该设备包括设立于待测量路基（1）附近的安装立柱（3）、置于所述安装立柱（3）上的滚珠丝杆滑台和透明防护罩（7）以及置于所述安装立柱（3）附近的太阳能板（8）；所述安装立柱（3）设有主控舱室（31），该主控舱室（31）内设有蓄电池及控制系统电路（4）；所述滚珠丝杆滑台置于所述透明防护罩（7）内，并竖直安装在所述安装立柱（3）的顶部；所述滚珠丝杆滑台上设有数个激光头模组（6）；所述待测量路基（1）上的测量点设有与数个所述激光头模组（6）一一对应的数个带反光片测量桩（2）；所述太阳能板（8）与所述蓄电池相连；所述控制系统电路（4）分别与所述太阳能板（8）、所述滚珠丝杆滑台、数个所述激光头模组（6）相连；所述安装立柱（3）为圆柱空心结构，其中段设有主控舱室（31）；所述滚珠丝杆滑台包括固定在所述安装立柱（3）上的底座、设有步进电机（55）的顶座以及置于所述底座与所述顶座之间的滚珠丝杆（51）和导轨（52）；所述底座的中心设有所述滚珠丝杆（51），该滚珠丝杆（51）两侧设有一组所述导轨（52）；所述滚珠丝杆（51）与所述导轨（52）上套接有滑动平台（53），该滑动平台（53）上设有数个所述激光头模组（6），下部设有下定位片；所述滚珠丝杆（51）穿过所述顶座通过联轴器（54）与所述步进电机（55）相连；所述步进电机（55）和数个所述激光头模组（6）分别通过导线与所述控制系统电路（4）相连；所述控制系统电路（4）包括单片机构成的主控模块（41）、电源管理模块（42）、通讯模块（43）、测量模块（44）、数据管理模块（45）和人机交互模块（46）；所述电源管理模块（42）由与所述太阳能板（8）及所述蓄电池相连的太阳能充放电控制模块（421）和系统供电模块（422）构成；所述通讯模块（43）由与计算机通信的USB通讯模块（431）和连接移动网络的移动通讯模块（432）构成；所述测量模块（44）由与数个所述激光头模组（6）相连的激光发射及接收数据预处理模块（441）、与所述步进电机（55）相连的步进电机驱动模块（442）构成；所述数据管理模块（45）由与所述主控模块（41）相连的存储模块（451）、与所述通讯模块（43）相连的传输模块（452）、分别与所述存储模块（451）和所述传输模块（452）相连的处理模块（453）构成；所述人机交互模块（46）包括按键输入和状态显示模块；所述主控模块（41）分别与所述电源管理模块（42）、所述通讯模块（43）、所述测量模块（44）、所述数据管理模块（45）和所述人机交互模块（46）相连；采用该设备的测量方法，包括以下步骤：

⑴在所述待测量路基（1）上的测量点设置数个所述带反光片测量桩（2）；

⑵将所述滚珠丝杆滑台中的滑动平台（53）位于导轨（52）中部作为初始位置；分别调整所述滚珠丝杆滑台中的数个所述激光头模组（6）对正相应所述带反光片测量桩（2），保证当所述带反光片测量桩（2）发生冻胀或融沉变形均在所述滑动平台（53）的扫描范围内；

⑶安装所述透明防护罩（7）于所述安装立柱（3）上；

⑷在所述控制系统电路（4）的控制下，所述滑动平台（53）首先复位到由下定位片确定的滑台最低点，然后通过控制其在所述导轨（52）上往复竖向运动，运行过程中分别通过各个所述激光头模组（6）发射并接受反射光，连续重复扫描以获取其对应各个所述带反光片测量桩（2）的位置Ⅰ（2-1），并通过精确记录所述滚珠丝杆滑台中的所述步进电机（55）的转动角度换算为滑动平台位置Ⅰ（53-1）相对滑台最低点的距离数据，记作a；

⑸假设一段时间后，所述带反光片测量桩（2）发生沉降变形至位置Ⅱ（2-2），再次开始测量，所述滑动平台（53）运动至滑动平台位置Ⅱ（53-2）扫描到位置Ⅱ（2-2）的带反光片测量桩（2），并通过精确记录所述滚珠丝杆滑台中的所述步进电机（55）的转动角度换算为滑动平台位置Ⅱ（53-2）相对滑台最低点的距离数据，记作b；

⑹根据平行四边形原理Z = Z´ = a – b， 即可得出此段时间所述带反光片测量桩（2）对应的沉降变形数据Z；

⑺以每天作为测量频率，重复测量各个所述带反光片测量桩（2）分别对应的变形数据，然后整合为在时域上的路基不同点位的变形过程监测数据即可。

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