CN203949636U - 激光智能应答式隧道收敛监测系统 - Google Patents

Abstract

一种激光智能应答式隧道收敛监测系统,包括：激光智能应答式隧道收敛监测仪和智能反射感应器。该系统由于采用了本实用新型特有的智能反射感应器、带微处理器的测量仪以及高精度转动机构，仅需一台测量设备即可一次完成自动测量隧道某一区域内多测点拱顶下沉和水平收敛量的大小及变化数据，测量结果准确，可通过设置系统监测周期，自动完成定时及周期监测，并能自动存储数据测量数据，具有监测数据的自动校核，异常数据自动剔除、不合格数据自动重测和收敛变形自动分析、预报和预警功能。

Description

激光智能应答式隧道收敛监测系统

技术领域

 本实用新型属于隧道工程测量技术领域，具体涉及一种激光智能应答式隧道收敛监测系统。

背景技术

隧道收敛量测是喷锚构筑法施工中的必测项目。隧道开挖后，围岩应力将重新分布。在开挖过程中，周边围岩及支护将产生变形，此变形是围岩和支护力学行为变化最直接的反映。当围岩应力趋于平衡时，周边变形趋于稳定，该变化过程称为“收敛”。坑道内表面的收敛可通过专门的测量仪器测得。通过周边位移观测，可量测出拱顶下沉和水平收敛量的大小及发展，从而可判别隧道围岩是否稳定，同时也能判别支护工作状态及施工方法是否合理。

隧道断面测量是隧道施工的重要工序之一。目前在隧道断面测量中主要有以下几种方式：

1、巴赛特收敛系统：该系统由多个杆件单元（一个长的和一个短的组合成为一对杆件单元）首尾互相铰接安装在待测断面四周，构成一个测量环，杆件单元内置一种特制的高精度电解质倾角传感器，每对长短臂的一个铰接点通过固定件与隧道壁相固定，另一个铰接点是浮动的。当隧道壁发生变形时，必定使变形区内的几个固定点产生（空间）位移，也带动相关的长短臂活动，即长短臂发生角度变化，这时分别安装在长、短臂上的倾角传感器就可以测出这种微小的角度变化，如果隧道壁多处发生变形，每处变形对长短臂的作用是叠加偶的，即倾角传感器感知的变化是总变化，根据倾角变化和各相应长短臂的长度就可以算出各固定点的位移，再参照各固定点原始位置的坐标，就可以得到个固定点在变化后的实际位置，只要有足够多的固定点，每个时刻各固定点的连线就可以近似代表隧道壁的轮廓线，巴塞特收敛系统是一种高精度、自动化监测隧道变形的系统。整个系统从数据自动采集到计算结果的显示完全实现计算机化。但是该系统的成本较高，监测点安装也非常复杂。

2、采用收敛计量测隧道内空收敛：其特点是可以完成对隧道壁面两点间水平距离的变形量的量测，拱顶下沉以及底板隆起位移量的量测等，该测量法精度可靠，但是此种方法存在测量数据小，操作难度大、劳动强度高等缺点，对于大断面隧道需要在平台车上工作，操作相对不便。

3、采用电子全站仪测量：该方法在洞室的横截面上埋设反光靶标作为测点，每两个测点之间成测线，在能观测到测点处架设电子全站仪，测出测点的三维坐标，根据距离公式算出每两个测点间的三维距离，不同期次测得的三维距离值与第一次测得的三维距离值之差为该两测点之间测线的收敛值。这种方法测量时无需每次接近测点，电子全站仪可以自由设置在能够观测到测点的地方，无需强制对中，测量数据可以自动记录，能方便地采用计算机进行后处理，实现快速监测、快速反馈以指导施工，但是也存在着仪器设备昂贵，需要定期测量，且不能获得实时的变化数据。

4、采用激光测距方法：激光具有方向性好、测距精度高、测程远、抗干扰能力强等优点，采用激光测距的方式进行隧道测量，近年来在隧道断面测量中得到越来越广泛的应用。

通过查询现有资料，目前在隧道断面激光测量所采用的主要还是针对隧道单一断面收敛值的测量，无法全面反映隧道中某一段区域内收敛的情况。加之已有的激光测量设备通常采用激光直接照射方法或在被测点处安装反射棱镜、反光片等方法，激光直接照射方法由于被测面材质各异，反射效果不好，对测量精度影响较大；安装反射棱镜、反光片等方法只能被动接收激光束，当安装的反射棱镜、反光片随着隧道收敛变形后原位置发生变化后，一般普通的激光测距仪无法自动寻找反射棱镜、反光片变形后的位置，从而造成测量不准，精度下降。

总之，以上四种对隧道收敛的测量方法，都还存在各自自身的缺陷，难以真正实现对隧道收敛数据测量的准确性、真实性、实时性和便利性的要求。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，设计一种适用于隧道、基坑等工程施工中自动量测出拱顶下沉和水平收敛量的大小及变化值，从而可判别隧道围岩是否稳定，同时也能判别支护工作状态及施工方法是否合理，为隧道施工安全监测提供一种完整的隧道多点收敛监测智能激光测量系统。

本实用新型激光智能应答式隧道收敛监测系统,包括：激光智能应答式隧道收敛监测仪和智能反射感应器。

所述的激光智能应答式隧道收敛监测仪包括：机箱、控制系统、无线接收器天线、舵机A、旋转平台、测量支架、舵机B、测量臂、激光测距仪和二维倾角仪。收敛监测仪被固定安装在隧道的一侧边墙上，其中激光测距仪及二维倾角仪安装在测量臂上，该测量臂由舵机B带动，可沿激光测距仪发出的激光束轴的轴向方向做180度往复运动，测量臂和舵机B安装在测量支架上，测量支架被固定在旋转平台上，该平台由舵机A通过旋转轴驱动的，可沿隧道断面做±90度往复旋转运动。舵机A、控制系统等均安装于机箱内，控制系统带有的LCD触摸屏安装在机箱表面方便操作。(参见图1）。

所述的控制系统包括：处理器模块、测量模块、舵机驱动模块、电源模块、无线通信模块，同时扩展了LCD触摸屏等（参见图6）。电源模块除给控制系统各模块及LCD触摸屏供电外，还负责给舵机A、B、激光测距仪和二维倾角仪等设备提供电源。处理器模块与测量模块、舵机驱动模块、无线通信模块和LCD触摸屏之间；测量模块和激光测距仪及二维倾角仪之间；舵机驱动模块与舵机A、B之间连接均采用双向数据交换形式。控制系统除LCD触摸屏安装在机箱表面外，其他部分均安装在机箱内部。控制系统是整个系统的核心，主要负责舵机的控制、待测点数据计算、测量数据的读取和保存等。控制系统通过与智能反射感应器相互配合协调，结合倾角仪精确标示系统X、Y的角度，驱动工业舵机控制旋转平台和测量臂的转动和停止，从而保证测量系统测量角的准确定位，并通过控制激光测距仪进行测量。

所述的舵机包括舵机A、B，舵机A通过旋转轴驱动旋转平台沿隧道断面±90度角做往复旋转运动；测量臂由舵机B带动，可沿激光测距仪发出的激光束轴的轴向方向做180度角度运动，需要指出的是，每次测量时旋转平台和测量臂的运动位置是控制系统根据断面数据计算和推演的。

本系统使用的舵机为市场上已有的成熟产品大功率工业舵机，舵机采用合金齿轮、铝合金减速箱、大功率电机，具有高扭矩输出、安装简便，坚固耐用等特点。

所述的智能反射感应器包括：低功耗单片机系统、电池系统、光敏接收器、棱镜反射器、无线发射器及固定板。固定板平面朝上，固定安装在隧道需要测量的位置（隧道顶墙或边墙），其中功耗单片机系统和电池系统被放置一个密封的金属盒内，金属盒和无线发射器一起被固定在固定板下方，光敏接收器和棱镜反射器通过下挂支架被固定在金属盒下方，光敏接收器和棱镜反射器与收敛监测仪之间应保持通视且无遮挡物(参见图5）。其作用除反射激光束外，一个重要的作用是当激光束照射到智能反射感应器上时，它能通过无线发射器自动向收敛测量仪发出已对准信号，从而停止收敛测量仪的旋转平台和测量臂的转动，保证收敛测量仪在正确的位置开始测量，为了防止收敛测量仪在智能反射感应器受到干扰情况下误动作，每台智能反射感应器都有自己的固有地址，激光智能应答式隧道收敛监测仪会通过自动比较待测量的智能反射感应器地址与接收到的智能反射感应器地址是否一致，判别是否为干扰信号，保证系统正常工作。智能反射感应器数量应根据需要测量的断面数量和测点选择。

本实用新型激光智能应答式隧道收敛监测系统的简单工作步骤：

1、将激光智能应答式隧道收敛监测仪隧道一侧边墙上，使监测仪处于水平状态；并记录下原点位置坐标；

2、将智能反射感应器固定在需要测量的位置，使智能反射感应器的棱镜反射器面与激光智能应答式隧道收敛监测仪上激光测距仪激光方向连线基本垂直；

3、测量点初始位置预定义：将智能反射感应器电池开关开启，启动激光智能应答式隧道收敛监测仪，进入预定义程序，通过调整旋转平台和测量臂的角度，将激光测距仪激光方向依次分别对准已安装的各个智能反射感应器的棱镜反射器，当智能反射感应器的光敏接收器接收到激光束后，智能反射感应器会通过无线发射器发射已对准信号告知激光智能应答式隧道收敛监测仪，设置程序将自动停止旋转平台和测量臂的转动，预定义程序保存此时旋转平台与智能反射感应器之间的夹角（                                               、……）、测量臂与智能反射感应器之间的夹角（、……）以及激光测距仪到智能反射感应器的距离（、……）等，并且将这些角度数据作为下次测量点的起始位置，激光智能应答式隧道收敛监测仪将通过这些角度数据和距离数据计算，得出该点的(X,Y,Z）坐标数据，作为评判是否收敛的原始数据和依据；

4、工作测量：按下自动测量按钮后，激光智能应答式隧道收敛监测仪的控制系统将根据预存在收敛监测仪内与各个测点（智能反射感应器）对应的起始角度位置数据，控制旋转平台和测量臂的转动角度，依次将激光测距仪的激光束对准智能反射感应器棱镜反射器，如果此时激光束正好对准待测的智能反射感应器的棱镜反射器，该智能反射感应器将立即通过无线发射器向收敛测量仪发出已对准信号，激光智能应答式隧道收敛监测仪接收到该信号后，自动测量出此时激光测距仪距该智能反射感应器的直线距离，并保存本次测量的（、……）（、……）作为下次测量的起始位置，同时计算出此次测量该点的(X,Y,Z）坐标数据；

如果此时由于隧道发生收敛或其他原因，造成激光束未能对准待测的智能反射感应器的棱镜反射器，控制系统将进行自动位置修正，其方法是驱动旋转平台和测量臂进行长方形状的螺旋式扫描，以便将激光束对准该智能反射感应器（其螺旋式扫描移动偏移量是程序预先设定的，用来改正水平角和垂直角的位移修正），直到激光束正好对准待测的智能反射感应器棱镜反射器，此时该智能反射感应器将自动向收敛测量仪发出已对准信号，收敛测量仪接收到该对准信号后，将自动停止旋转平台和测量臂的转动修正，测量出此时激光测距仪距该智能反射感应器的直线距离，并保存本次测量的（、……）（、……）作为下次测量的起始位置，同时计算出此次测量该点的(X,Y,Z）坐标数据。

激光智能应答式隧道收敛监测系统能通过设置系统监测周期，自动完成定时及周期监测，并将所测数据完整的保存在自带的存储器内，还具有监测数据的自动校核，异常数据自动剔除、不合格数据自动重测和收敛变形自动分析、预报和预警功能。亦可通过通信接口将数据下载到计算机，通过其它软件进行分析计算。

本实用新型激光智能应答式隧道收敛监测系统的优点是，该系统由于采用了本实用新型特有的智能反射感应器、带微处理器的测量仪以及高精度转动机构，仅需一台测量设备即可一次完成自动测量隧道某一区域内多测点拱顶下沉和水平收敛量的大小及变化数据，测量结果准确，可通过设置系统监测周期，自动完成定时及周期监测，并能自动存储数据测量数据，具有监测数据的自动校核，异常数据自动剔除、不合格数据自动重测和收敛变形自动分析、预报和预警功能。亦可通过通信接口将数据下载到计算机，通过其它软件进行分析计算。

通过查询现有资料，目前在隧道断面激光测量所采用的主要还是针对隧道单一断面收敛值的测量，无法全面反映隧道中某一段区域内收敛的情况。加之已有的激光测量设备通常采用激光直接照射方法或在被测点处安装反射棱镜、反光片等方法，激光直接照射方法由于被测面材质各异，反射效果不好，对测量精度影响较大；安装反射棱镜、反光片等方法只能被动接收激光束，当安装的反射棱镜、反光片随着隧道收敛变形后原位置发生变化后，一般普通的激光测距仪无法自动寻找反射棱镜、反光片变形后的位置，从而造成测量不准，精度下降。

本实用新型创造性提出了智能化反射感应器和自动位置修正的概念，通过精心设计的智能化反射感应器、带微处理器的测量仪以及二维高精度转动测量机构相互配合，仅需一台测量设备即可一次完成自动测量隧道某一段区域内多测点拱顶下沉和水平收敛量的大小及变化数据，通过智能化反射感应器和激光智能应答式隧道收敛监测仪的相互应答，实现了自动位置校准和修正功能，保证了测量结果准确可靠，解决了现有隧道收敛测量方法存在的缺陷，真正实现对隧道收敛数据测量的准确性、真实性、实时性和便利性的要求。

本实用新型采结合智能化反射感应器感应的精确标示，配合巧妙的机械设计，通过带微处理器的控制系统完成舵机的角度控制和对待测断面数据的计算，保证测量系统对测量断面及方位角的准确定位及测量，技术成熟，方法可靠，实用性强。

与常规测量方法和已有的激光测量设备相比，本实用新型具有智能化程度高、测量速度快，一次可完成多测点断面变形测量，可长期或临时进行隧道收敛监测，自动化程度高，人工干预小，劳动强度低等优点，能满足了隧道测量测线多，频次高，时间长，测量数据多的要求。除此之外，还可以用于桥梁静态挠度监测，煤堆(发电厂)体积测量，输电线高度检测等领域，具有广泛的应用前景。 

附图说明

图1为激光应答智能隧道收敛检测仪结构示意图；

图2为隧道基准断面多测量角示意图；

图3为隧道某一区域多测点断面测量示意图；

图4为多测点断面测量方法示意图；

图5为智能反射感应器结构示意图；

图6为控制系统各模块控制框图。

具体实施方式

根椐图1-图6所示,一种激光智能应答式隧道收敛监测系统,包括激光智能应答式隧道收敛监测仪和智能反射感应器。

所述的激光智能应答式隧道收敛监测仪包括：机箱1、控制系统2、无线接收器天线3、舵机A4、旋转平台5、测量支架6、舵机B7、测量臂8、激光测距仪9和二维倾角仪10。收敛监测仪被固定安装在隧道的一侧边墙上，其中激光测距仪9及二维倾角仪10安装在测量臂8上，该测量臂8由舵机B带动，可沿激光测距仪9发出的激光束轴的轴向方向做180度往复运动，测量臂8和舵机B安装在测量支架6上，测量支架6被固定在旋转平台5上，该平台由舵机A通过旋转轴驱动的，可沿隧道断面做±90度往复运动。舵机A4、控制系统2等均安装于机箱内，控制系统2带有的LCD触摸屏安装在机箱表面方便操作。(参见图1）。

所述的控制系统2包括：处理器模块、测量模块、舵机驱动模块、电源模块、无线通信模块，同时扩展了LCD触摸屏等（参见图6）。电源模块除给控制系统各模块及LCD触摸屏供电外，还负责给舵机A、B、激光测距仪和二维倾角仪等设备提供电源。处理器模块与测量模块、舵机驱动模块、无线通信模块和LCD触摸屏之间；测量模块和激光测距仪及二维倾角仪之间；舵机驱动模块与舵机A、B之间连接均采用双向数据交换形式。控制系统除LCD触摸屏安装在机箱表面外，其他部分均安装在机箱内部。控制系统是整个系统的核心，主要负责舵机的控制、待测点数据计算、测量数据的读取和保存等。控制系统通过与智能反射感应器相互配合协调，结合倾角仪精确标示系统X、Y的角度，驱动工业舵机控制旋转平台和测量臂的转动和停止，从而保证测量系统测量角的准确定位，并通过控制激光测距仪进行测量。

所述的舵机包括舵机A、B，舵机A通过旋转轴驱动旋转平台沿隧道断面做±90度往复运动；测量臂由舵机B带动，可沿激光测距仪发出的激光束轴的轴向方向做180度往复运动，需要指出的是，每次测量时旋转平台和测量臂的运动位置是控制系统根据断面数据计算和推演的。 

本系统使用的舵机为市场上已有的成熟产品大功率工业舵机，舵机采用合金齿轮、铝合金减速箱、大功率电机，具有高扭矩输出、安装简便，坚固耐用等特点。

所述的智能反射感应器包括：低功耗单片机系统11、电池系统12、光敏接收器13、棱镜反射器14、无线发射器15及固定板16。固定板16平面朝上，固定安装在隧道需要测量的位置（隧道顶墙或边墙），其中功耗单片机系统11和电池系统12被放置一个密封的金属盒内，金属盒和无线发射器15一起被固定在固定板下方，光敏接收器13和棱镜反射器14通过下挂支架被固定在金属盒下方，光敏接收器13和棱镜反射器14与收敛监测仪之间应保持通视且无遮挡物(参见图5）。其作用除反射激光束外，一个重要的作用是当激光束照射到智能反射感应器上时，它能通过无线发射器自动向收敛测量仪发出已对准信号，从而停止收敛测量仪的旋转平台和测量臂的转动，保证收敛测量仪在正确的位置开始测量，为了防止收敛测量仪在智能反射感应器受到干扰情况下误动作，每台智能反射感应器都有自己的固有地址，激光智能应答式隧道收敛监测仪会通过自动比较待测量的智能反射感应器地址与接收到的智能反射感应器地址是否一致，判别是否为干扰信号，保证系统正常工作。智能反射感应器数量应根据需要测量的断面数量和测点选择。

本实用新型激光智能应答式隧道收敛监测系统是这样实现的：

1、制作激光智能应答式隧道收敛监测仪固定支座，将支座固定在隧道一侧边墙上，距地面高度可根据实际情况确定，激光智能应答式隧道收敛监测仪安装在固定支座上，使激光测距仪激光方向对准隧道另一侧边墙，通过观测监测仪上二维倾角仪角度指示，使监测仪处于水平状态；并记录下原点位置坐标；

2、根据现场情况，根据需要测量的测点数确定智能反射感应器的数量，将智能反射感应器固定在需要测量的位置，使智能反射感应器的棱镜反射器面与激光智能应答式隧道收敛监测仪上激光测距仪激光方向连线基本垂直；

3、测量点初始位置预定义：将智能反射感应器电池开关开启，启动激光智能应答式隧道收敛监测仪，进入预定义程序，通过调整旋转平台和测量臂的角度，将激光测距仪激光方向依次分别对准已安装的各个智能反射感应器的棱镜反射器，当智能反射感应器的光敏接收器接收到激光束后，智能反射感应器会通过无线发射器发射已对准信号告知激光智能应答式隧道收敛监测仪，设置程序将自动停止旋转平台和测量臂的转动，预定义程序保存此时旋转平台与智能反射感应器之间的夹角（、……）、测量臂与智能反射感应器之间的夹角（、……）以及激光测距仪到智能反射感应器的距离（、……）等，并且将这些角度数据作为下次测量点的起始位置，激光智能应答式隧道收敛监测仪将通过这些角度数据和距离数据计算，得出该点的(X,Y,Z）坐标数据，作为评判是否收敛的原始数据和依据；

4、工作测量：按下自动测量按钮后，激光智能应答式隧道收敛监测仪的控制系统将根据预存在收敛监测仪内与各个测点（智能反射感应器）对应的起始角度位置数据，控制旋转平台和测量臂的转动角度，依次将激光测距仪的激光束对准智能反射感应器棱镜反射器，如果此时激光束正好对准待测的智能反射感应器的棱镜反射器，该智能反射感应器将立即通过无线发射器向收敛测量仪发出已对准信号，激光智能应答式隧道收敛监测仪接收到该信号后，自动测量出此时激光测距仪距该智能反射感应器的直线距离，并保存本次测量的（、……）（、……）作为下次测量的起始位置，同时计算出此次测量该点的(X,Y,Z）坐标数据；

如果此时由于隧道发生收敛或其他原因，造成激光束未能对准待测的智能反射感应器的棱镜反射器，控制系统将进行自动位置修正，其方法是驱动旋转平台和测量臂进行长方形状的螺旋式扫描，以便将激光束对准该智能反射感应器（其螺旋式扫描移动偏移量是程序预先设定的，用来改正水平角和垂直角的位移修正），直到激光束正好对准待测的智能反射感应器棱镜反射器，此时该智能反射感应器将自动向收敛测量仪发出已对准信号，收敛测量仪接收到该对准信号后，将自动停止旋转平台和测量臂的转动修正，测量出此时激光测距仪距该智能反射感应器的直线距离，并保存本次测量的（、……）（、……）作为下次测量的起始位置，同时计算出此次测量该点的(X,Y,Z）坐标数据。

以下通过测量第N个智能反射感应器为例，说明自动测量步骤，假定预测量时激光智能应答式隧道收敛监测仪与第N个智能反射感应器对应的测量角为、，激光测距仪到第N个智能反射感应器的距离为。

测量开始后，激光智能应答式隧道收敛监测仪的控制系统将通过舵机A将旋转平台轴线旋转至第N个智能反射感应器对应的，同时，在舵机B驱动下，测量臂轴线位置将自动旋转到方向，激光测距仪发出预测激光束，如果此时激光束正好对准待测的智能反射感应器，该智能反射感应器将向收敛测量仪发出已对准信号，激光智能应答式隧道收敛监测仪此时测量出激光测距仪距该智能反射感应器的直线距离，如果此时由于隧道收敛或其他原因，造成预测激光束未能对准待测的智能反射感应器，控制系统将进行自动位置修正，其方法是驱动旋转平台和测量臂进行长方形状的螺旋式扫描以便将预测激光束对准该智能反射感应器（其移动偏移量是预先设定的，用来改正水平角和垂直角的位移），直到预测激光束正好对准待测的智能反射感应器，此时该智能反射感应器将向收敛测量仪发出已对准信号，收敛测量仪接收到对准信号后，将自动停止旋转平台和测量臂的转动修正，测量出激光测距仪距该智能反射感应器的直线距离，并通过二维倾角仪得到此时新的、，保存=，=作为下次测量第N个智能反射感应器的测量初始角度。

根据已有的、、，参考图2、图3、图4，通过正弦定理可以计算出第N个智能反射感应器的坐标值，以下为计算公式：

；

。

Claims (1)

1.一种激光智能应答式隧道收敛监测系统,其特征在于：包括：激光智能应答式隧道收敛监测仪和智能反射感应器； 

所述的激光智能应答式隧道收敛监测仪包括：机箱(1)、控制系统(2)、无线接收器天线(3)、舵机A(4)、旋转平台(5)、测量支架(6)、舵机B(7)、测量臂(8)、激光测距仪(9)和二维倾角仪(10)；收敛监测仪被固定安装在隧道的一侧边墙上，其中激光测距仪(9)及二维倾角仪(10)安装在测量臂(8)上，测量臂(8)由舵机B(7)带动，可沿激光测距仪(9)发出的激光束轴的轴向方向做180度往复运动，测量臂(8)和舵机B(7)安装在测量支架(6)上，测量支架(6)被固定在旋转平台(5)上，该平台由舵机A通过旋转轴驱动的，可沿隧道断面轴线做±90度往复运动；舵机A(4)、控制系统(2)均安装于机箱内，控制系统(2)带有的LCD触摸屏安装在机箱表面方便操作； 

所述的智能反射感应器包括：低功耗单片机系统(11)、电池系统(12)、光敏接收器(13)、棱镜反射器(14)、无线发射器(15)及固定板(16)；固定板(16)平面朝上，固定安装在隧道需要测量的位置，具体位置为隧道顶墙或边墙，其中功耗单片机系统(11)和电池系统(12)被放置一个密封的金属盒内，金属盒和无线发射器(15)一起被固定在固定板下方，光敏接收器(13)和棱镜反射器(14)通过下挂支架被固定在金属盒下方，光敏接收器(13)和棱镜反射器(14)与收敛监测仪之间应保持通视且无遮挡物。