一種凍土微變形自動(dòng)測(cè)量設(shè)備及其測(cè)量方法和過(guò)程

1. 本發(fā)明涉及測(cè)繪測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種凍土微變形自動(dòng)測(cè)量設(shè)備及測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

2.青海至拉薩交通樞紐建設(shè)，是連接大陸與西藏的生命線工程。路基沉降變形是評(píng)價(jià)青藏公路和鐵路工程穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。作為現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)最基本的監(jiān)測(cè)方法，人工水平監(jiān)測(cè)一直是現(xiàn)階段最可靠、成本最高的監(jiān)測(cè)方法。

3.液位計(jì)和塔尺組成的測(cè)量方法是一種常規(guī)的凍土沉降和變形觀測(cè)方法，廣泛用于工程實(shí)踐（施工、檢驗(yàn)、監(jiān)理）和一般科學(xué)研究。該方法通過(guò)比較監(jiān)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系來(lái)評(píng)價(jià)待監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形變化規(guī)律。水平法具有直觀、簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也很明顯。首先自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，其測(cè)量精度與測(cè)量人員的熟練程度和責(zé)任感、設(shè)備的精度（包括水平尺和塔尺）、天氣條件等密切相關(guān)。其次，由于人工觀察，面對(duì)大范圍、遠(yuǎn)距離的觀測(cè)，都很難按時(shí)觀測(cè)，更別提一天一次的高密度觀測(cè)了。第三，現(xiàn)階段尚未實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。此外，普通全站儀在沉降和變形監(jiān)測(cè)方面還存在誤差大、儀器成本高等問(wèn)題。在研究沉降和變形機(jī)制時(shí)自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，過(guò)程監(jiān)控非常重要。如果不能對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行在線連續(xù)高頻率監(jiān)測(cè)，就無(wú)法了解突發(fā)變形過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。更不用說(shuō)每天一次的高密度觀測(cè)了。第三，現(xiàn)階段尚未實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。此外，普通全站儀在沉降和變形監(jiān)測(cè)方面還存在誤差大、儀器成本高等問(wèn)題。在研究沉降和變形機(jī)制時(shí)，過(guò)程監(jiān)控非常重要。如果不能對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行在線連續(xù)高頻率監(jiān)測(cè)，就無(wú)法了解突發(fā)變形過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。更不用說(shuō)每天一次的高密度觀測(cè)了。第三，現(xiàn)階段尚未實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。此外，普通全站儀在沉降和變形監(jiān)測(cè)方面還存在誤差大、儀器成本高等問(wèn)題。在研究沉降和變形機(jī)制時(shí)，過(guò)程監(jiān)控非常重要。如果不能對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行在線連續(xù)高頻率監(jiān)測(cè)，就無(wú)法了解突發(fā)變形過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。普通全站儀在沉降和變形監(jiān)測(cè)中也存在誤差大、儀器成本高等問(wèn)題。在研究沉降和變形機(jī)制時(shí)，過(guò)程監(jiān)控非常重要。如果不能對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行在線連續(xù)高頻率監(jiān)測(cè)，就無(wú)法了解突發(fā)變形過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。普通全站儀在沉降和變形監(jiān)測(cè)中也存在誤差大、儀器成本高等問(wèn)題。在研究沉降和變形機(jī)制時(shí)，過(guò)程監(jiān)控非常重要。如果不能對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行在線連續(xù)高頻率監(jiān)測(cè)，就無(wú)法了解突發(fā)變形過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。無(wú)法理解突然變形過(guò)程中各個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。無(wú)法理解突然變形過(guò)程中各個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。

4.隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，變形監(jiān)測(cè)也在朝著自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的方向發(fā)展。無(wú)人值守自動(dòng)化解決方案相比人工觀測(cè)具有明顯優(yōu)勢(shì)：人工干擾誤差小、測(cè)量精度高、測(cè)量頻率高、可在線實(shí)時(shí)查看等。通過(guò)無(wú)人值守的自動(dòng)化解決方案測(cè)量?jī)鐾谅坊某两岛妥冃巍?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的凍土微變形自動(dòng)測(cè)量設(shè)備。

6. 本發(fā)明要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種測(cè)量?jī)鐾廖⒆冃?strong>自動(dòng)測(cè)量設(shè)備的方法。

7.為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的凍土微變形自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，其特征在于：該裝置包括設(shè)置在待測(cè)路基附近的安裝柱，以及安裝柱上的滾珠絲杠滑臺(tái)和透明保護(hù)罩以及靠近安裝柱放置的太陽(yáng)能電池板；安裝柱上設(shè)有主控艙，主控艙內(nèi)設(shè)有電池和控制系統(tǒng)電路。球絲桿滑臺(tái)置于透明保護(hù)罩內(nèi)，垂直安裝在安裝柱頂部；滾珠絲杠滑臺(tái)設(shè)有若干個(gè)激光頭模塊；待測(cè)路基上的測(cè)點(diǎn)設(shè)置有多個(gè)帶反射鏡的測(cè)樁，與多個(gè)激光頭模塊一一對(duì)應(yīng)；太陽(yáng)能電池板連接至電池；控制系統(tǒng)電路分別連接太陽(yáng)能電池板和滾珠絲杠多個(gè)所述激光頭模塊。

8. 安裝柱為圓柱形中空結(jié)構(gòu)，中段設(shè)有主控隔室。

9. 滾珠絲杠滑臺(tái)包括一個(gè)固定在安裝柱上的底座，一個(gè)裝有步進(jìn)電機(jī)的頂座，以及

底座與頂座之間裝有滾珠絲杠和導(dǎo)軌；底座中央設(shè)有滾珠絲杠，滾珠絲杠兩側(cè)設(shè)有一組導(dǎo)軌。滾珠絲杠滑臺(tái)套在導(dǎo)軌上，滑臺(tái)上設(shè)有若干個(gè)激光頭模組，下部設(shè)有下定位片。滾珠絲杠穿過(guò)頂座并通過(guò)聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)相連；步進(jìn)電機(jī)和若干激光頭模塊分別通過(guò)導(dǎo)線與控制系統(tǒng)電路相連。

10. 控制系統(tǒng)電路包括主控模塊、電源管理模塊、通訊模塊、測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、單片機(jī)組成的人機(jī)交互模塊；電源管理模塊由太陽(yáng)能電池板和與蓄電池相連的太陽(yáng)能充放電控制模塊和系統(tǒng)供電模塊組成；通信模塊由與電腦通信的usb通信模塊和連接移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)通信模塊組成。測(cè)量模塊由多個(gè)激光頭組成，激光發(fā)射和接收數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊與模塊相連，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與步進(jìn)電機(jī)相連。數(shù)據(jù)管理模塊由與主控模塊相連的存儲(chǔ)模塊、與通信模塊相連的傳輸模塊和分別與存儲(chǔ)模塊和傳輸模塊相連的處理模塊構(gòu)成。人機(jī)交互模塊包括按鍵輸入和狀態(tài)顯示模塊；主控模塊連接電源管理模塊，通信模塊、測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和人機(jī)交互模塊連接。人機(jī)交互模塊包括按鍵輸入和狀態(tài)顯示模塊；主控模塊連接電源管理模塊，通信模塊、測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和人機(jī)交互模塊連接。人機(jī)交互模塊包括按鍵輸入和狀態(tài)顯示模塊；主控模塊連接電源管理模塊，通信模塊、測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和人機(jī)交互模塊連接。

11.上述凍土微變形測(cè)量方法自動(dòng)測(cè)量設(shè)備包括以下步驟：

⑴

在待測(cè)路基上的測(cè)點(diǎn)處設(shè)置多個(gè)帶反光板的測(cè)樁；

⑵

滾珠絲杠滑臺(tái)內(nèi)的滑臺(tái)位于導(dǎo)軌中間為初始位置；調(diào)整滾珠絲杠滑臺(tái)中的激光頭模塊，使相應(yīng)的測(cè)量樁與反射鏡對(duì)齊，以確保帶反射片的測(cè)量樁的凍脹或解凍變形在滑動(dòng)平臺(tái)的掃描范圍內(nèi)；

⑶

在安裝柱上安裝透明保護(hù)罩；

⑷

在控制系統(tǒng)電路的控制下，滑動(dòng)平臺(tái)首先復(fù)位到由下定位片確定的滑動(dòng)平臺(tái)的最低點(diǎn)，然后通過(guò)控制它在導(dǎo)軌上往復(fù)和垂直移動(dòng)，通過(guò)每個(gè)激光頭模塊發(fā)射和接收反射光，不斷重復(fù)掃描得到每個(gè)帶反射器ⅰ的測(cè)柱對(duì)應(yīng)的位置，并通過(guò)準(zhǔn)確記錄滾珠絲杠滑軌中步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)轉(zhuǎn)換為距離數(shù)據(jù)滑動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于滑動(dòng)平臺(tái)最低點(diǎn)的位置ⅰ，記為a；

⑸

假設(shè)一段時(shí)間后，帶反光片的測(cè)樁已經(jīng)沉降變形到ⅱ位置，重新開始測(cè)量，滑臺(tái)移動(dòng)到滑臺(tái)位置ⅱ，掃描位置ⅱ的帶反光片的測(cè)樁，并準(zhǔn)確記錄滾珠絲杠滑臺(tái)中步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)換為滑臺(tái)位置ⅱ相對(duì)于滑臺(tái)最低點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)，記為b；

⑹

根據(jù)平行四邊形原理 z = z

′?

= 一個(gè)

?-?

b、可得到帶反光片的測(cè)樁在此期間對(duì)應(yīng)的沉降變形數(shù)據(jù)z；

⑺

以每天為測(cè)量頻率，重復(fù)測(cè)量每個(gè)帶反射器的測(cè)量樁對(duì)應(yīng)的變形數(shù)據(jù)，然后在時(shí)域上整合路基不同點(diǎn)的變形過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

12.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、在控制系統(tǒng)電路的控制下，滑動(dòng)平臺(tái)在導(dǎo)軌上垂直移動(dòng)，滑動(dòng)平臺(tái)通過(guò)操作過(guò)程中的激光。頭部模塊發(fā)射和接收反射光，并不斷重復(fù)掃描以獲取每個(gè)帶反射器的測(cè)量柱的位置。通過(guò)準(zhǔn)確記錄步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)平臺(tái)位置相對(duì)于初始點(diǎn)的線位移數(shù)據(jù)，從而獲得多個(gè)測(cè)點(diǎn)的高度。路基變形過(guò)程頻率、高精度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變形自動(dòng)測(cè)量，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，

13.2、 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了基于平行四邊形測(cè)量法的路基變形自動(dòng)測(cè)量，僅通過(guò)設(shè)備和測(cè)樁的可見(jiàn)性即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量，具有比測(cè)量樁更廣泛的適應(yīng)性。水準(zhǔn)儀的水平視線測(cè)量。

14.3、 本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，激光頭模塊在變形測(cè)量過(guò)程中保持固定。與需要測(cè)量角度和距離來(lái)計(jì)算高程數(shù)據(jù)的全站儀相比，本發(fā)明引入的誤差更小，成本更低。

圖紙說(shuō)明

15. 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

16. 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

17. 圖2是本發(fā)明的工作原理圖。

18. 圖3為本發(fā)明主控電路的功能結(jié)構(gòu)圖。

19. 圖中：1

－

待測(cè)路基；2

－

帶反射器的測(cè)量樁；3

－

安裝色譜柱；31

?-

主控艙；4

－

控制系統(tǒng)電路；41

－

主控模塊；42

－

電源管理模塊；421

－

太陽(yáng)能充放電控制模塊；422

－

系統(tǒng)電源模塊；43

－

通訊模塊；431

－

USB通訊模塊；432

－

移動(dòng)通訊模塊；44

－

測(cè)量模塊；441

－

激光發(fā)射和接收數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊；442

－

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；45

－

數(shù)據(jù)管理模塊；451

－

存儲(chǔ)模塊；452

－

傳輸模塊；453處理模塊；51

－

滾珠絲杠；52

－

軌; 53

－

滑動(dòng)平臺(tái)；54

－

耦合; 55

－

步進(jìn)電機(jī); 6

－

激光頭模組；7

－

透明保護(hù)罩；8

－

太陽(yáng)能板; 2

-1-

位置??；2

-2-

位置ⅱ；53

－

1 滑臺(tái)位置??；53

-2-

滑動(dòng)平臺(tái)位置ⅱ。

詳細(xì)方法

20.如圖1~3所示，一種凍土微變形自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)安裝柱3、，放置在靠近路基1的安裝柱3上被測(cè)量的滾珠絲杠滑臺(tái)和透明保護(hù)罩7以及放置在安裝柱3附近的太陽(yáng)能電池板8。

21.安裝柱3設(shè)有主控倉(cāng)31，主控倉(cāng)31內(nèi)裝有電池和控制系統(tǒng)電路4；滾珠絲杠滑塊置于透明保護(hù)罩7內(nèi)，垂直安裝在立柱3的頂部；滾珠絲杠滑臺(tái)上有若干個(gè)激光頭模塊6；待測(cè)路基1上的測(cè)點(diǎn)設(shè)有若干個(gè)帶有反射器的測(cè)量樁2，與若干個(gè)激光頭模塊6一一對(duì)應(yīng)。太陽(yáng)能電池板8連接到電池；控制系統(tǒng)電路4分別連接太陽(yáng)能電池板8、滾珠絲杠滑臺(tái)和若干激光頭模塊6。

22.其中：安裝柱3為圓柱形中空結(jié)構(gòu)，中段設(shè)有主控艙31。

23.滾珠絲杠滑臺(tái)包括固定在安裝柱3上的底座，帶有步進(jìn)電機(jī)55的頂座，以及置于底座和頂座之間的滾珠絲杠51和導(dǎo)軌52；中心設(shè)有滾珠絲杠51，滾珠絲杠51兩側(cè)設(shè)有一組導(dǎo)軌52；滾珠絲杠51和導(dǎo)軌52上套設(shè)有滑臺(tái)53，滑臺(tái)53上設(shè)有若干個(gè)激光頭模塊6。下部設(shè)有下定位件。滾珠絲杠51穿過(guò)頂座并通過(guò)聯(lián)軸器54與步進(jìn)電機(jī)55連接。步進(jìn)電機(jī)55和若干激光頭模塊6分別通過(guò)導(dǎo)線與控制系統(tǒng)電路4相連。

24.控制系統(tǒng)電路4包括由單片機(jī)組成的主控模塊41、電源管理模塊42、通訊模塊43、測(cè)量模塊44、數(shù)據(jù)管理模塊45和人機(jī)交互模塊46；電源管理模塊42由太陽(yáng)能充放電控制模塊421和與太陽(yáng)能電池板8和蓄電池相連的系統(tǒng)電源模塊422組成。通信模塊43由與計(jì)算機(jī)通信的USB通信模塊431和移動(dòng)連接網(wǎng)絡(luò)由移動(dòng)通信模塊432組成；測(cè)量模塊44由激光收發(fā)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊44與若干激光頭模塊61、相連組成 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊442，連接步進(jìn)電機(jī)55；數(shù)據(jù)管理模塊45由存儲(chǔ)模塊451、傳輸，連接主控模塊41和通訊模塊43

模塊452、由連接存儲(chǔ)模塊451和傳輸模塊452的處理模塊453組成；人機(jī)交互模塊46包括按鍵輸入和狀態(tài)顯示模塊。主控模塊41連接電源管理模塊42、通訊模塊43、測(cè)量模塊44、數(shù)據(jù)管理模塊45連接人機(jī)交互模塊46。

25.控制系統(tǒng)電路4可以完成設(shè)備控制、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線遠(yuǎn)傳，可以及時(shí)獲取路基變形過(guò)程的高頻、高精度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

26. 在實(shí)際應(yīng)用中，多個(gè)激光頭模塊6對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)之一就是建立的參考監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)參考點(diǎn)校準(zhǔn)可以獲得更準(zhǔn)確的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

27.凍土微變形自動(dòng)測(cè)量設(shè)備的測(cè)量方法包括以下步驟：

⑴

在待測(cè)路基1的測(cè)點(diǎn)處設(shè)置若干帶有反射器的測(cè)樁2；

⑵

將滑臺(tái)53設(shè)置在導(dǎo)軌52中間的滾珠絲杠滑臺(tái)中為初始位置；調(diào)整滾珠絲杠滑臺(tái)中的若干激光頭模塊6，使相應(yīng)的測(cè)量樁2與反射器對(duì)準(zhǔn)，以保證帶反射器2的測(cè)量樁在滑動(dòng)平臺(tái)53的掃描范圍內(nèi)發(fā)生凍脹或解凍變形。

⑶

在安裝柱3上安裝透明保護(hù)罩7，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)儀表，提高現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的適應(yīng)性；

⑷

在控制系統(tǒng)電路4的控制下，滑臺(tái)53先復(fù)位到下定位件確定的滑臺(tái)最低點(diǎn)，然后控制在導(dǎo)軌52上往復(fù)和垂直移動(dòng)，并通過(guò)操作期間的每個(gè)激光頭模塊6。發(fā)射和接收反射光，連續(xù)重復(fù)掃描，得到每個(gè)帶反射器ⅰ2的測(cè)桿2的位置

－

1.通過(guò)精確記錄滾珠絲杠滑臺(tái)中步進(jìn)電機(jī)55的旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)換為滑臺(tái)位置ⅰ53

－

1 相對(duì)于滑臺(tái)最低點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)記為a；

⑸

假設(shè)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，帶有反射器的測(cè)量樁2會(huì)發(fā)生沉降變形到ⅱ2位置

－

2. 重新開始測(cè)量，滑臺(tái)53移動(dòng)到滑臺(tái)位置ⅱ53

－

2 掃描到位置ⅱ 2

－

2帶反射器測(cè)樁2，通過(guò)準(zhǔn)確記錄滾珠絲杠滑臺(tái)中步進(jìn)電機(jī)55的旋轉(zhuǎn)角度，換算成滑臺(tái)位置ⅱ53

－

2 相對(duì)于滑臺(tái)最低點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)記為b；

⑹

根據(jù)平行四邊形原理 z = z

′?

= 一個(gè)

?-?

乙、丙

′

是滑動(dòng)平臺(tái)位置ⅰ53

－

1和滑動(dòng)平臺(tái)位置ⅱ53

－

可得到2與帶反射器測(cè)樁2在此期間對(duì)應(yīng)的沉降變形數(shù)據(jù)z的差值；

⑺

以每天為測(cè)量頻率，用反射器重復(fù)測(cè)量每個(gè)測(cè)樁2的相應(yīng)變形數(shù)據(jù)，然后將其整合到時(shí)域路基不同點(diǎn)的變形過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中。

28. 本發(fā)明主控系統(tǒng)軟件已獲得中華人民共和國(guó)國(guó)家版權(quán)局計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記，軟件名稱：凍土微量自動(dòng)監(jiān)測(cè)主控系統(tǒng)軟件-形變; 注冊(cè)號(hào)：2020sr0816256。

29. 本發(fā)明制作了測(cè)試樣機(jī)并完成了測(cè)試。

30. 測(cè)試期：2020年4月至11月。

31. 試驗(yàn)地點(diǎn)：甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)東港西路318號(hào)中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究所7號(hào)樓底層。

32. 取7月份的測(cè)試數(shù)據(jù)如下：