CN114964153B - 一种基于激光定位的地基沉降监测装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于激光定位的地基沉降监测装置及其测量方法，包括沉降单元、激光发射单元、激光采集单元、太阳能供电单元和通讯控制单元，太阳能供电单元分别与激光发射单元、激光采集单元和通讯控制单元电性连接，通讯控制单元分别与激光发射单元和激光采集单元电性连接；沉降单元放置于地基上，激光发射单元安装于沉降单元顶端，太阳能供电单元安装于激光发射单元端，通讯控制单元安装于太阳能供电单元上，激光采集单元固定安装于地基外部，激光采集单元与激光发射单元相匹配设置。本发明的地基沉降监测装置结构简单，操作方便，制作成本和使用成本低，不需要操作人员进行专门培训，只需要简单讲解即可进行操作，实用性高。

Description

一种基于激光定位的地基沉降监测装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及沉降监测技术领域，特别是涉及一种基于激光定位的地基沉降监测装置及其测量方法。

背景技术

高填方体的沉降一直是困扰此类工程的技术难题，在设计中缺乏相应的工程类比案例，而原位监测是积累经验、获取数据最有效的途径。当在软弱地基上做填筑时，如地基处理常用的堆载预压法，地基沉降过快而影响填筑效果基沉降过快而影响填筑效果。若地基沉降速率超过设计控制标准值，则不利于地基的稳定，为了保证软基不发生滑动破坏，监测单位需及时发布预警，监理、施工等单位获取信息后尽快采取有效措施。

而现有地基沉降监测方法受其假设条件与实际存在较大不符的限制，所得沉降监测结果往往与实测沉降值之间存在较大差异，地基沉降监测所用的设备大多采用人工水准仪或全站仪监测，但此类设备不能实现自动监测，且成本较高，测量范围有限，需要专门培训的技术人员才能操作仪器，实用性低下。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光定位的地基沉降监测装置及其测量方法，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一，使地基沉降监测装置结构简单，操作方便，制作成本和使用成本低，不需要操作人员进行专门培训，只需要简单讲解即可进行操作，实用性高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于激光定位的地基沉降监测装置，包括沉降单元、激光发射单元、激光采集单元、太阳能供电单元和通讯控制单元，所述太阳能供电单元分别与所述激光发射单元、激光采集单元和通讯控制单元电性连接，所述通讯控制单元分别与所述激光发射单元和所述激光采集单元电性连接；

所述沉降单元放置于地基上，所述激光发射单元安装于所述沉降单元顶端，所述太阳能供电单元安装于所述激光发射单元端，所述通讯控制单元安装于所述太阳能供电单元上，所述激光采集单元固定安装于地基外部，所述激光采集单元与所述激光发射单元相匹配设置。

优选的，所述沉降单元包括放置于地基上的底板，所述底板顶端固定安装有测杆。

优选的，所述激光发射单元包括自下而上依次活动安装于沉降单元顶部且结构相同的第一激光发射组件和第二激光发射组件，且所述第一激光发射组件和所述第二激光发射组件的激光方向不平行；

所述激光采集单元包括结构相同的第一激光采集组件和第二激光采集组件，所述第一激光发射组件与所述第一激光采集组件对应设置，所述第二激光发射组件与所述第二激光采集组件对应设置；

所述第一激光发射组件、第二激光发射组件、第一激光采集组件、第二激光采集组件和通讯控制单元分别与所述太阳能供电单元电性连接。

优选的，所述第一激光发射组件包括安装于沉降单元顶部的装置杆，所述装置杆的一侧固定安装有伺服电机，所述伺服电机的输出端贯穿所述装置杆且固定连接有激光准直仪，所述激光准直仪上固定安装有粗瞄准器。

优选的，所述第一激光采集单元包括固定安装于地基外部的安装箱，所述安装箱通过若干电动伸缩杆固定安装有四象限探测器，所述四象限探测器与所述第一激光发射组件对应设置。

优选的，所述装置杆通过带限位的缩管接头与所述沉降单元固定连接。

一种基于激光定位的地基沉降监测，具体步骤为：

将第一激光采集组件和第二激光采集组件固定安装于地基外部；

通过第一激光采集组件和第二激光采集组件的伸长收缩来测定激光的方程，通过设置第一激光发射组件和第二激光发射组件的竖直位置来保证其中一束激光竖直平移一定距离后与另一束激光相交于沉降单元轴线上一点；

第二激光发射组件发出的激光竖直向下平移一定距离，则与第一激光发射组件发出的激光的轴线交于沉降单元轴线一点，联立两激光的空间直线方程，即可定位激光发射单元上一点，沉降前后该点的高程差即为沉降差。

本发明公开了以下技术效果：

本发明通过激光发射单元发射激光束，能够在激光采集单元上投射激光光斑，通过激光光斑中心的位置，以及激光发射单元之间的位置关系，对激光发射单元上一点进行定位，从而得到地基沉降后沉降量。

本发明的地基沉降监测装置结构简单，操作方便，制作成本和使用成本低，不需要操作人员进行专门培训，只需要简单讲解即可进行操作，实用性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于激光定位的地基沉降监测装置的结构示意图；

图2为第一激光发射组件的结构示意图；

图3为伺服电机与激光准直仪的结构示意图；

图4为四象限探测器在水平面上的位置示意图；

图5为可伸缩套管伸长状态与缩短状态时四象限探测器在垂直面上的位置示意图；

图6为两道激光线在水平面上的位置示意图；

图中：1、底板；2、测杆；3、装置杆；4、伺服电机；5、激光准直仪；6、粗瞄准器；7、安装箱；9、可伸缩套管；10、四象限探测器；11、缩管接头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例提供一种基于激光定位的地基沉降监测装置，包括沉降单元、激光发射单元、激光采集单元、太阳能供电单元和通讯控制单元，太阳能供电单元分别与激光发射单元、激光采集单元和通讯控制单元电性连接，通讯控制单元分别与激光发射单元和激光采集单元电性连接；

沉降单元放置于地基上，激光发射单元安装于沉降单元顶端，太阳能供电单元安装于激光发射单元端，通讯控制单元安装于太阳能供电单元上，激光采集单元固定安装于地基外部，激光采集单元与激光发射单元相匹配设置。

进一步优化方案，沉降单元包括放置于地基上的底板1，底板1顶端固定安装有测杆2。

进一步优化方案，激光发射单元包括自下而上依次活动安装于沉降单元顶部且结构相同的第一激光发射组件和第二激光发射组件，且第一激光发射组件和第二激光发射组件的激光方向不平行；

激光采集单元包括结构相同的第一激光采集组件和第二激光采集组件，第一激光发射组件与第一激光采集组件对应设置，第二激光发射组件与第二激光采集组件对应设置；

第一激光发射组件、第二激光发射组件、第一激光采集组件和第二激光采集组件分别与太阳能供电单元电性连接。

进一步优化方案，第一激光发射组件包括安装于沉降单元顶部的装置杆3，装置杆3的一侧固定安装有伺服电机4，伺服电机4的输出端贯穿装置杆3固定连接有激光准直仪5，激光准直仪5上固定安装有粗瞄准器6，伺服电机4和激光准直仪5分别位于装置杆3两侧，伺服电机4旋转时，伺服电机4的输出轴可以带动激光准直仪5旋转，进行角度调整。

进一步优化方案，第一激光采集单元包括固定安装于地基外部的安装箱7，两个安装箱7均水平固定在不受施工影响处，避免安装箱7随地基一同沉降，第一激光采集单元包括固定安装于地基外部的安装箱7，安装箱7通过若干电动伸缩杆9固定安装有四象限探测器10，所述四象限探测器10与所述第一激光发射组件对应设置，电动伸缩杆9伸缩，以调整四象限探测器10与安装箱7之间的相对位置。

进一步优化方案，装置杆3通过带限位的缩管接头11与沉降单元固定连接，旋转带限位的缩管接头11可以控制与装置杆3连接的松紧度，放松带限位的缩管接头11时，可以调整装置杆3与带限位的缩管接头11的相对位置，使装置杆3绕杆轴旋转而不发生竖直方向的移动，调整好位置后旋紧带限位的缩管接头11。

太阳能供电单元为市场上常见的太阳能电池组件，太阳能电池组件是一种太阳能转换为电能的装置，将太阳能转换为电能以后存储在蓄电池里面，蓄电池可以为任何形式的蓄电装置，一般由太阳能光电池，蓄电池，调压元件三个部分组成。

通讯控制单元包括用户终端、控制器、伺服电机驱动器、电动伸缩杆控制器、激光发射控制器，还包括USB接口和天线，伺服电机驱动器与伺服电机4电性连接，电动伸缩杆控制器与电动伸缩杆9电性连接，激光发射控制器与激光准直仪5电性连接，用户终端通过USB接口与控制器通讯，控制器发送信号通过天线送出，控制器接收信号给伺服电机驱动器驱动伺服电机4动作或是给激光发射控制器控制激光准直仪5发射激光，激光采集装置与用户终端之间的数据传输通过Wifi或Zigbee。

通讯控制单元的结构已有许多成熟的方案，如可采用步进电机无线控制系统，控制器采用32引脚的QFN封装芯片NRF9E5，芯片NRF9E5通过PL-2303HX芯片连接到USB接口。

激光采集单元和发射单元之间并不需要通讯，只需要终端对发射端发送信号，从采集单元得到数据即可。

一种基于激光定位的地基沉降监测，具体步骤为：

步骤一，将两个安装箱7均水平固定在不受施工影响处，并使其四象限探测器10面对监测区域；

步骤二，地基处理中，将底板1水平安装在施工现场；

步骤三，安装第一激光发射组件上的激光准直仪5，并通过粗瞄准器6将激光准直仪5对准第一激光采集组件的四象限探测器10，旋紧带限位的缩管接头11；

步骤四，安装第二激光发射组件的激光准直仪5，并通过粗瞄准器6将激光准直仪5对准第二激光采集组件的四象限探测器10，旋紧带限位的缩管接头11；

步骤五，安装太阳能供电装置，将太阳能供电装置安装在合适的方位，旋紧螺栓；

步骤六，安装通信装置，将通信装置安装在在太阳能供电装置上；

步骤七，通过通信装置控制第一激光采集组件上的电动伸缩杆9，使电动伸缩杆9处于伸长状态，第一激光发射组件上的激光准直仪5发射激光，此时第一激光采集组件上的四象限探测器10接收激光；再控制第一激光采集组件上电动伸缩杆9，使得四象限探测器10向后收缩一定距离，第一激光发射组件上的激光准直仪5发射激光，此时第一激光采集组件上的四象限探测器10第二次接收激光；

步骤八，通过通信装置控制第二激光采集组件上的电动伸缩杆9，使电动伸缩杆9处于伸长状态，第二激光发射组件上的激光准直仪5发射激光，此时第二激光采集组件上的四象限探测器10接收激光；再控制第二激光采集组件上电动伸缩杆9，使得四象限探测器10向后收缩一定距离，第二激光发射组件上的激光准直仪5发射激光，此时第二激光采集组件上的四象限探测器10第二次接收激光；

步骤九，计算激光准直仪5轴线与装置杆3轴线相交处的坐标，沉降后，计算沉降前后的高程差，即为沉降差，多次的沉降差叠加即为总沉降量。

具体的工作原理如下：

第一激光采集组件上的电动伸缩杆9伸长时，通过全站仪测得四象限探测器10左右两端定位基准点分别为M₁(x_m1,y_m1,z_m1)，M₂(x_m2,y_m2,z_m2)，四象限探测器10中心点M的坐标为M(x_m,y_m,z_m)，即

第一激光发射组件上激光准直仪5对着第一激光采集组件上的四象限探测器10发射激光，四象限探测器10即接收到激光光斑，各个象限会产生相应大小的光电流，通过基于圆模型的光斑定位经典算法，可以得到光斑中心在四象限探测器10上的位置坐标(Δl,Δz)。

四象限探测器10投影在地面，四象限探测器10的倾斜角度为θ_m，即

由Δx＝Δl·sinθ_m，Δy＝Δl·cosθ_m可求得投影面上光斑中心相对于四象限探测器10中心的坐标。则可得最后，第一激光发射组件上激光准直仪5照射到第一激光采集组件上的四象限探测器10上的光斑中心点的空间坐标J₁为(x₁,y₁,z₁)。

第一激光采集组件上的电动伸缩杆9缩短，距离可预先设定为l₁，第一激光采集组件上的四象限探测器10中心点的坐标为M′(x′_m,y′_m,z′_m)，则第一激光发射组件上激光准直仪5再一次发射激光到四象限探测器10上，光斑中心在四象限探测器10上的位置坐标(Δl′,Δz′)，由Δx′＝Δl′·sinθ_m，Δy′＝Δl′·cosθ_m可求得投影面上光斑中心相对于四象限探测器10中心的坐标，则可得/>最后，第一激光发射组件上的激光准直仪5照射到第一激光采集组件上的四象限探测器10上的光斑中心点的空间坐标J′₁为(x′₁,y′₁,z′₁)。

同理可得，第二激光采集组件上的电动伸缩杆9伸长时，第二激光发射组件上激光准直仪5照射到第二激光采集组件上的四象限探测器10上的光斑中心点的空间坐标J₂为(x₂,y₂,z₂)；第二激光采集组件上的伸缩套管9缩短时，第二激光发射组件上的激光准直仪5照射到第二激光采集组件上的四象限探测器10上的光斑中心点的空间坐标J′₂为(x′₂,y′₂,z′₂)。

装置杆3上两不动点O₁与O₂的竖直距离为s，即可以得到第一激光发射组件上的激光准直仪5发出的激光所在的空间直线的两点式方程：

第二激光发射组件上的激光准直仪5发出的激光所在的空间直线的两点式方程：

如将第二激光发射组件上的激光准直仪5发出的激光竖直向下平移s，则两激光的轴线交于测杆2轴线一点O₁,第二激光发射组件上的激光准直仪5发出的激光平移后的空间直线的两点式方程为：

将方程①、方程②联立，可以得到不动点O₁的空间坐标(x,y,z)。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于激光定位的地基沉降监测装置，其特征在于：包括沉降单元、激光发射单元、激光采集单元、太阳能供电单元和通讯控制单元，所述太阳能供电单元分别与所述激光发射单元、激光采集单元和通讯控制单元电性连接，所述通讯控制单元分别与所述激光发射单元和所述激光采集单元电性连接；

所述沉降单元放置于地基上，包括放置于地基上的底板(1)，所述底板(1)顶端固定安装有测杆(2)；所述激光发射单元安装于所述沉降单元顶端，所述太阳能供电单元安装于所述激光发射单元端，所述通讯控制单元安装于所述太阳能供电单元上，所述激光采集单元固定安装于地基外部，所述激光采集单元与所述激光发射单元相匹配设置；

所述激光发射单元包括自下而上依次活动安装于沉降单元顶部且结构相同的第一激光发射组件和第二激光发射组件，且所述第一激光发射组件和所述第二激光发射组件的激光方向不平行；

所述激光采集单元包括结构相同的第一激光采集组件和第二激光采集组件，所述第一激光发射组件与所述第一激光采集组件对应设置，所述第二激光发射组件与所述第二激光采集组件对应设置；

所述第一激光发射组件、第二激光发射组件、第一激光采集组件和第二激光采集组件分别与所述太阳能供电单元电性连接；

所述第一激光采集组件包括固定安装于地基外部的安装箱(7)，所述安装箱(7)通过若干电动伸缩杆固定安装有四象限探测器(10)，所述四象限探测器(10)与所述第一激光发射组件对应设置。

2.根据权利要求1所述的基于激光定位的地基沉降监测装置，其特征在于：所述第一激光发射组件包括安装于所述沉降单元顶部的装置杆(3)，所述装置杆(3)的一侧固定安装有伺服电机(4)，所述伺服电机(4)的输出端贯穿所述装置杆(3)且固定连接有激光准直仪(5)，所述激光准直仪(5)上固定安装有粗瞄准器(6)。

3.根据权利要求2所述的基于激光定位的地基沉降监测装置，其特征在于：所述装置杆(3)通过带限位的缩管接头(11)与所述沉降单元固定连接。

4.一种基于激光定位的地基沉降监测的方法，其特征在于：应用于权利要求2-3任意一项所述的基于激光定位的地基沉降监测装置，具体步骤为：

将第一激光采集组件和第二激光采集组件固定安装于地基外部；

通过第一激光采集组件和第二激光采集组件的伸长收缩来测定激光的方程，通过设置第一激光发射组件和第二激光发射组件的竖直位置来保证其中一束激光竖直平移一定距离后与另一束激光相交于沉降单元轴线上一点；

第二激光发射组件发出的激光竖直向下平移一定距离，则与第一激光发射组件发出的激光的轴线交于沉降单元轴线一点，联立两激光的空间直线方程，即可定位激光发射单元上一点，沉降前后该点的高程差即为沉降差。