CN1293347A

CN1293347A - 一种亚毫米级精度位移自动监测系统

Info

Publication number: CN1293347A
Application number: CN 98100678
Authority: CN
Inventors: 张学庄; 王爱公; 张驰; 简务人; 张艳祥
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 1998-03-09
Filing date: 1998-03-09
Publication date: 2001-05-02
Anticipated expiration: 2018-03-09
Also published as: CN1094192C

Abstract

本发明涉及一种监测大坝、桥梁、边坡和地壳变形的自动监测仪器,其特征在于主计算机8控制多个观测站上的多套高精度自动测距系统1及相应的计算机通讯装置4,安置在监测点上的反射棱镜组5,加上系统软件6而构成。它精度高,能够早期发现异常移动,便于尽早采取措施,防止事故产生;可准确、长期记录大坝安全有关的资料,实时提供大坝安全的准确信息。

Description

专利一种亚毫米级精度位移自动监测系统

本发明涉及一种监测大坝、桥梁、边坡和地壳变形的自动监测仪器，特别是用大地测量方法测量变形或位移的自动监测系统。

在大坝、桥梁、边坡与地壳等的变形监测中，有“内观”与“外观”两类仪器。(下面以大坝为例加以说明)内观是用岩土工程仪器和方法，测量大坝内部的温度、应力、应变、渗透、扬压力与收敛等等，它能较好地反映局部的状况及其变化，便于自动监测，但是不能直观反映出大坝整体的变形与移动；外观能够直观反映出大坝整体的变形，对于大坝的安全非常重要。外观是用测量几何尺寸变化的仪器测量监测点相对于参考点的位移。参考点若是大坝基岩，用正锤线和倒锤线测量装置测量大坝坝顶相对于基岩的水平位移，但是基岩可能移动；参考点是位于大坝的移动区外，这就只能用大地测量的方法进行；参考点或是绕地球转动的卫星，则采用GPS系统进行监测；后两种方法能够真正测量出大坝在空间的位移，这是最理想的。

对于一个理想的变形监测系统要同时满足高的测量精度、自动化程度、可视化程度、可靠性和实时性，并能测定三维坐标等，还要满足安全监测的各项要求，特别是测量精度，越高越好，能够实时报警，早期发现异常变形及变形的规律，及时解决问题。

目前，在自动监测仪器中，能从移动区外测定(大坝)绝对变形的自动监测仪器系统有两种，一是瑞士LEICA公司的APS(自动极坐标测量系统)，二是GPS系统。但是，应用并不广，主要问题是测量精度不够，测量精度都在毫米量级，如APS WIN系统为±8～10mm／Km；GPS的实时性不够，高程精度更差。

本发明的目的是：提供一种亚毫米级精度的位移自动监测系统，用大地测量方法，从移动区外解决电站大坝、桥梁、边坡及地震预报等位移或变形监测中的问题，即不但具有高的测量精度，而且能同时解决多点、连续、自动监测、三维坐标测定、实时测量与实时数据处理、可视化显示、超限报警等问题。用该系统装备大坝，就能够长期、连续、动态监测被监测对象的变形及安全状况，早期发现异常变形，及早采取措施，保证大坝、桥梁、边坡的安全或给地震预报特别是临震预报提供准确的信息。

本发明为完成上述任务，采用的技术方案是：用计算机控制分别置于三个观测站上的多套(一般为三套)高精度自动测距系统，同时对置于监测点上的反射棱镜组进行高精度测距，用三边交会法实时计算出监测点的三维坐标及其变化并用图形、曲线、表格等在计算机屏幕上显示出来。

它是(见图1)由安置在中央控制室的主计算机8控制多个(一般为三个)观测站上的多套(一般为三套)高精度自动测距系统1、2、3及相应的计算机通讯装置4，安置在监测点上的反射棱镜组5，气温气压遥测遥控装置7加上系统软件6而构成的亚毫米级精度位移自动监测系统实现的。

下面结合附图作进一步说明：

图1：亚毫米级精度位移自动监测系统构成总框图；

图2：亚毫米级精度位移自动监测系统的高精度自动测距系统构成框图。

1．图1中的高精度自动测距系统1、2、3，每套由图2展示。它由系统主机11，自动电子全站仪12，高精度光电测距仪频率校准仪13，高精度通风温度计14，高精度数字气压计15，数字湿度计16，强制对中仪器座17，校准棱镜18，数据通信部分19，UPS电源及直流稳压电源20，激光打印机21等组成。

图2展示了各部分间的具体接法：系统主机11本身是一台工业控制计算机，486及486以上机型皆可。机箱中装有扩展的4个RS232接口卡，一块图象采集卡，还装有频率测量与数据采集板，板上带三个输入频率的高频插口以及输入湿度数据的RS232接口，采集板经过一个RS232接口与主机11相连；自动电子全站仪12经自带Y型电缆与系统主机11的RS232串口相接；高精度光电测距仪频率校准仪13与高精度通风温度计14输出的频率信号经过高频电缆与系统主机11中的数据采集板的高频插口相接；高精度数字气压计15输出的视频信号与系统主机11的图象采集板的视频输入端相接；数字湿度计16经电缆与系统主机11中的数据采集板的RS232口相接；数据通信部分19由系统主机11的RS232口经过MODEM与通信电缆相接，而电缆与其他观测站及中央控制室相接；激光打印机21经过并口与系统主机11相接；市电经过UPS给系统主机11供电；稳压电源给自动电子全站仪12供电。

图2中的自动电子全站仪12，在计算机控制下，自动精确瞄准目标，测距的标称精度优于±(2mm+2PPm·D)；仪器经过严格检测，充分掌握其各项误差，选择使用。本发明选用的自动电子全站仪2是瑞士LEICA公司的TCA系列的适当型号产品，如TCA1800，TCA2003等，也可以采用其他厂家生产的同性能仪器，但是控制系统软件的测距与测角程序需要作相应改变。

图2中的高精度光电测距仪频率校准仪13，以非接触方式测定测距仪的频率；测量频率的范围应大于50MHz，频率计的时基必须用彩电副载波校准，其频率准确度与测频准确度都优于10^-8，并可用计算机控制，自动测量频率；选用长沙市莱塞光电子技术研究所生产的EFC-6型光电测距仪频率校准仪，保证用非接触方式测定测距仪的调制频率，准确到10^-8以上。

图2中的高精度通风温度计14，用马达通风，测空气温度的精确度优于±0．1℃，一般应该采用±0．05℃产品，由计算机控制测定温度。如采用计算机控制的高精度石英通风温度计等产品。

图2中的高精度数字气压计15，测定空气气压的精确度优于±0．3hPa，性能长期稳定，由计算机控制；采用长沙市莱塞光电子技术研究所生产的PD-1高精度数字气压计。

图2中的数字湿度计16，精确度优于±5％，可以由计算机进行测量。可供选择的产品较多；

图2中的强制对中仪器座17，由不锈钢制造的圆形底盘与圆锥形轴套、轴杠等组成。轴杠作为对中螺栓与自动电子全站仪相连接，底盘固定于水泥墩上，保证仪器的对中误差小于±0．05mm；

图2中的校准棱镜18，用于观测站间对向测距，作基线校准用；通过简单的支架安装在自动电子全站仪上方；支架取代自动电子全站仪的提手，以便安装棱镜；采用LEICA公司的360度全方向棱镜或普通锥体棱镜。

图2中的数据通信部分19，建立各观测站的计算机之间的数据通信以及观测站与中央控制室间的数据通信，数据通信通过RS232口与MODEM进行；数据通信也可以通过四至五台计算机组成的有线或无线局域网进行；

图2中的UPS电源及直流稳压电源20，由UPS给计算机提供长期，无干扰，稳定的供电；由直流稳压电源12给自动电子全站仪供电；

图2中的激光打印机21，其作用是将需要的数据、曲线、表格等打印出来。

2．图1中的计算机通讯装置9，是在多个(一般为三个)观测站的系统主机11，气温气压遥测遥控装置7以及它们与中央控制室的主计算机8之间实现数据通讯的有线、无线和红外通讯装置。有线通讯作为主要数据通信手段，经过各观测站间架设的电缆传送信号。无线与红外光通信作为辅助手段。无线通信采用无线MO-DEM双工通信；红外光通信采用数字信号直接调制红外光通信，以收发光学系统对向瞄准传送信号。中央控制室的主计算机经过调制解调器经电话线路联网，可使网上的计算机能随时查询监测数据。

3．图1中的反射棱镜组5，由2或3块锥体反射棱镜组合而成，单块棱镜的位置可调，以便分别对准三个观测站，调好后可固定并用膨胀螺钉固定于监测对象上。

4．系统软件6，用中央控制室的主计算机8控制一套至多套(一般是三套)高精度自动测距系统1、2、3按设定的时间间隔对多个监测点上的反射棱镜组5进行自动照准、自动测距、测垂直角、水平角，同时测温度、测气压、测湿度、测测距仪频率等；按自动周日观测方法、加气象代表性改正数法计算距离；按三边交会法与极坐标法测量与计算被监测点的极坐标、三维坐标及其变化；计算测量误差；并实时在计算机屏幕上显示监测点位移的大小、方向与速度及它们的变化；自动用声光进行超限报警与安全状态指示；自动生成报表；查询与显示各种测量参数与计算数据随时间变化的曲线；用不同颜色表示不同曲线，叠加显示在同一屏幕上；作数据库备份；进行数据通讯等等。

5．图1中的气温气压遥测遥控装置7，包括系统主机11，高精度通风温度计14，高精度气压计15及用于数据通讯的MODEM 。它的作用是测定反射棱镜组5所在地(如大坝上、大桥上、高层建设上以及边坡上)的空气温度与气压，经通讯线路传送至系统主计算机11，供精确计算距离用。

优点和积极效果：

本发明亚毫米级精度位移自动监测系统由于同时具有亚毫米级高精度、连续多点自动监测、可同时测定点的三维坐标与大坝的变形、智能化程度高等优异性能，故有为现有其他外观监测系统所不及的突出优点：

1．精度高-本发明的变形监测精度为亚毫米级，比GPS系统与APS系统的精度高一个数量级!能够早期发现异常移动，便于尽早采取措施，防止事故产生；可准确、长期记录大坝安全有关的资料，如库区水位与大坝位移的关系，实时提供大坝安全的准确信息；

2．实时性好-能够实时处理数据，实时显示坐标及其变化，移动量，移动速率，多种变化曲线，具有安全状态指示，实时报警等功能；洪水期间，能够实时显示出大坝移动的历史与现状，给防洪抢险提供依据；真正起到安全监测的作用；

3．连续性好-白天、黑夜、危险期和危险地区的目标都能连续监测，不需要人的干预，可以安全地取得监测对象失稳前后的宝贵数据-用人工监测无法做到；

4．大面积监测-可同时作大坝、边坡、控制点的监测，船闸变形的动态测量及其他精密测量，可大大节省设备投资；

5．大大降低人力消耗与劳动强度，高效率，安全，可靠。例如，对于一个电站大坝，一般可节省测量人员30人。

实施例：

亚毫米级精度变形自动监测系统在湖南省五强溪电站大坝进行了实地应用，取得了20万个数据，完全证实了其精度达到亚毫米级和各项性能达到设计要求。其具体实施说明如下：

高精度自动测距系统的主机11本身是一台486-100工业控制计算机，机箱中装有扩展的4个RS232接口卡，地块SE-100图象采集卡，还装有EFC-6频率测量与数据采集板，板上带三个输入频率的高频插口以及输入湿度数据的RS232接口，采集板经过一个RS232接口与主机11相连；自动电子全站仪12采用LEICATCA1800型，经自带Y型电缆与系统主机11的RS232串口相接；高精度光电测距仪频率校准仪13，选用长沙市莱塞光电子技术研究所生产的EFC-6型，其光电转换头输出的高频信号经过高频电缆与系统主机11中的数据采集板的高频插口相接；高精度通风温度计14选用长沙市莱塞光电子技术研究所生产的WG1型，精度±0．05℃，它输出的高频信号经过高频电缆与系统主机11中的数据采集板的高频插口相接；高精度数字气压计15选用长沙市莱塞光电子技术研究所生产的PD-1型，精度±0．3hPa，输出的视频信号与系统主机11的图象采集板的视频输入端相接；HD-1数字湿度计16，精度±5％，经电缆与系统主机11中的数据采集板的RS232口相接；数据通信部分19由系统主机11的RS232口经过MODEM与通信电缆相接，而电缆与其他观测站及中央控制室的MODEM相接；PH-5P激光打印机21经过并口与系统主机11相接；市电经过10000W的UPS给系统主机11供电；稳压电源12(12V)给自动电子全站仪12供电。

自动电子全站仪12通过FC-1强制对中仪器座17安置在一个观测站内的仪器墩上；校准棱镜选择LEICA的GZR4360度棱镜，其连接装置CP-I安装在自动电子全站仪12的支架上。

用中央控制室的主计算机8控制一套至多套(一般是三套)高精度自动测距系统1、2、3按设定的时间间隔对多个监测点上的反射棱镜组进行自动照准、自动测距、测垂直角、水平角，同时测温度、测气压、测湿度、测测距仪频率；自动记录(存储)测得的距离、水平角、垂直角与观测站的气温、气压、湿度、测距仪频率等；按自动周日观测方法、加气象代表性改正数法计算距离；按三边交会法与极坐标法测量与计算被监测点的极坐标、三维坐标及其变化；计算测量误差；并实时在计算机屏幕上显示监测点位移的大小、方向与速度及它们的变化；自动用声光进行超限报警与安全状态指示；自动生成报表；查询与显示各种测量参数与计算数据随时间变化的曲线；用不同颜色表示不同曲线，叠加显示在同一屏幕上；作数据库备份；进行数据通讯等等。在实际应用中充分显示了现有其他外观监测系统所不及的突出优点。

亚毫米级精度变形自动监测系统用于桥梁、边坡、高层建筑、地震预报，其只是反射棱镜组5与监测站设置的地点不同，例如：

1．将亚毫米级精度位移自动监测系统用于电站大坝的安全监测，即将反射棱镜组牢固安装在大坝的适当位置上，多个(一般为三个)观测站设置于移动区外的适当地点，实现对大坝、边坡、滑坡、船闸及测量控制点的多目标，连续、自动、亚毫米级精度变形监测；

2．将亚毫米级精度位移自动监测系统用于短期与临震预报，即跨断层分别设置观测站与监测点，实现对多监测目标的连续，亚毫米级精度自动监测；

3．将亚毫米级精度位移自动监测系统用于桥梁的安全监测中，即将反射棱镜组固定于大桥的适当位置上，观测站分别置于河流两岸上稳定的地点，实现对桥梁的亚毫米级精度全自动变形监测与动态监测；

4．将亚毫米级精度位移自动监测系统用于露天矿山边坡或地下矿山岩层移动的自动监测中，即将反射棱镜组牢固安装在监测对象的适当位置上，多个(一般为三个)观测站设置于移动区外的适当地点，实现对监测区的多目标，连续、自动亚毫米级精度变形监测。

Claims

1．一种亚毫米级精度位移自动监测系统涉及一种监测大坝、桥梁、边坡和地壳变形的自动监测仪器，其特征在于中央控制室的主计算机8控制多个(一般为三个)观测站上的多套(一般为三套)高精度自动测距系统1、2、3及相应的计算机通讯装置4，安置在监测点上的反射棱镜组5，气温气压遥测遥控装置7加上系统软件6而构成。

2．根据权利要求1所述的亚毫米级精度的位移自动监测系统，其特征在于：高精度自动测距系统1、2、3三套，由每套系统主机11，自动电子全站仪12，高精度光电测距仪频率校准仪13，高精度通风温度计14，高精度数字气压计15，数字湿度计16，强制对中仪器座17，校准棱镜18，数据通信部分19，UPS电源及直流稳压电源20，激光打印机21等组成；其系统主机11装有扩展的4个RS232接口卡，一块图象采集卡，还装有频率测量与数据采集板，板上带三个输入频率的高频插口以及输入湿度数据的RS232接口，采集板经过一个RS232接口与主机11相连；自动电子全站仪12经自带Y型电缆与系统主机11的RS232串口相接；高精度光电测距仪频率校准仪13与高精度通风温度计14输出的频率信号经过高频电缆与系统主机11中的数据采集板的高频插口相接；高精度数字气压计15输出的视频信号与系统主机11的图象采集板的视频输入端相接；数字湿度计16经电缆与系统主机11中的数据采集板的RS232口相接；数据通信部分19由系统主机11的RS232口经过MODEM与通信电缆相接，而电缆与其他观测站及中央控制室相接；激光打印机21经过并口与系统主机11相接；市电经过UPS给系统主机11供电；稳压电源给自动电子全站仪12供电。

3．根据权利要求2所述的高精度自动测距系统1、2、3，其特征在于：自动电子全站仪12，在计算机控制下，自动精确瞄准目标，测距的标称精度优于±(2mm+2PPm·D)。

4．根据权利要求2所述的高精度自动测距系统1、2、3，其特征在于：高精度光电测距仪频率校准仪13，以非接触方式测定测距仪的频率；测量频率的范围应大于50MHz，频率计的时基必须用彩电副载波校准，其频率准确度与测频准确度都优于10^-8，并可用计算机控制，自动测量频率。

5．根据权利要求2所述的高精度自动测距系统1、2、3，其特征在于：校准棱镜18，用于观测站间对向测距，作基线校准用；通过简单的支架安装在自动电子全站仪上方；支架取代自动电子全站仪的提手，以便安装棱镜。

6．根据权利要求1所述的亚毫米级精度的位移自动监测系统，其特征在于：反射棱镜组5，由2或3块锥体反射棱镜组合而成，单块棱镜的位置可调，以便分别对准三个观测站，调好后可固定并用膨胀螺钉固定于监测对象上。